Selbstentladung

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Dieser Artikel befasst sich mit der Selbstentladung in Batterien und Akkumulatoren. Für die Selbstentladung in Kondensatoren siehe Kondensator (Elektrotechnik).

Selbstentladung bezeichnet von selbst ablaufende Vorgänge, die dazu führen, dass sich Batterien und Akkumulatoren mehr oder weniger schnell entladen, auch wenn kein elektrischer Verbraucher angeschlossen ist. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung bestimmt, welcher Anteil der ursprünglich gespeicherten Ladungsmenge (Kapazität) nach Lagerung noch nutzbar ist. Die Selbstentladung gehört zu den wichtigsten Kenndaten von Batterien beziehungsweise Akkumulatoren. Die Kenntnis der Selbstentladung ist wichtig, um für bestimmte Anwendungen geeignete Batteriesysteme auszuwählen.

Allgemeines

Grundsätzlich tritt Selbstentladung bei allen Batterien und Akkumulatoren auf. Ursachen sind Nebenreaktionen oder interne Kurzschlüsse. Nebenreaktionen in den Elektroden führen dazu, dass das elektrochemisch aktive Material verbraucht wird und dann nicht mehr für die Entladereaktion zur Verfügung steht. Nebenreaktionen werden oft durch Verunreinigungen verursacht oder beschleunigt. Interne Kurzschlüsse treten auf, wenn die elektrochemisch aktiven Materialien in Anode und Kathode in elektrischen Kontakt geraten und so direkt miteinander reagieren können. Dies ist bei mangel- oder schadhaftem Separator zwischen der Anode und Kathode der Fall.

Der aus der Selbstentladung resultierende jährliche Kapazitätsverlust kann zwischen < 1 % und 100 % der ursprünglichen Kapazität betragen. Das Ausmaß der Selbstentladung kann von vielen Faktoren abhängen. Das elektrochemische System ist wesentlich für die Selbstentladung. In einigen Systemen mit geringer Selbstentladung bilden sich während der Lagerung Schutzschichten (Passivfilme) auf den Elektrodenoberflächen, die die weitere Selbstentladung verlangsamen. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung ist von der Lagerzeit abhängig. In der Regel nimmt sie mit zunehmender Lagerzeit asymptotisch ab. Die Selbstentladung ist stark temperaturabhängig, ihre Geschwindigkeit steigt mit höherer Temperatur. Als Faustregel gilt, dass eine Temperaturerhöhung um 10 °C die Geschwindigkeit der Selbstentladung verdoppelt. Die reduzierte Selbstentladung bei tieferer Temperatur ist der Grund, weswegen für einige Batteriesysteme die Lagerung bei tiefen Temperaturen empfohlen wird. Das Ausmaß der Selbstentladung hängt oft vom Entladegrad, der das Verhältnis der bereits bei einer Entladung entnommenen Kapazität zur ursprünglichen Kapazität ist, ab.

Primärbatterien

Die Selbstentladung bestimmt bei Primärbatterien die Lebensdauer beziehungsweise Lagerfähigkeit. Je höher die Selbstentladung, desto größer wird der Verlust der nutzbaren Kapazität im Zeitraum zwischen Herstellung und Verwendung. Bei sehr lange dauernden Entladungen (mit kleinen Belastungen) kann die nutzbare Kapazität durch Selbstentladung begrenzt sein. Deswegen dürfen Primärbatterien für solche Anwendungen (beispielsweise in Herzschrittmachern) nur eine sehr kleine Selbstentladungsrate aufweisen.

Batteriesystem Selbstentladung pro Jahr bei 20 °C
Lithium-Iod-Batterie < 1 %
Lithium-Eisensulfid-Batterie 1−2 %
Lithium-Mangandioxid-Batterie 1−2 %
Lithium-Thionylchlorid-Batterie 1−2 %
Zink-Luft-Batterie 3 % (wenn versiegelt)
Alkali-Mangan-Batterie 4 %
Quecksilberoxid-Zink-Batterie 4 %
Silberoxid-Zink-Batterie 6 %
Zink-Braunstein-Zelle 7−10 %

Sekundärbatterien (Akkumulatoren)

Die Geschwindigkeit der Selbstentladung ist in der Regel im vollständig geladenen Zustand am größten und nimmt mit zunehmender Zeit ab. Die Selbstentladung von Akkumulatoren ist deutlich größer als von Primärbatterien (siehe Tabellen; Angaben hier pro Monat, nicht pro Jahr). Die Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt sowohl vom elektrochemischen System als auch von der Bauform beziehungsweise Ausführung des Akkumulators ab.

Akkumulatorsystem Selbstentladung pro Monat bei 20 °C
Lithium-Ionen-Akku < 2 %
Lithium-Polymer-Akku < 5 %[1]
LSD-NiMH 6 % im 1. Monat, ab 3. Monat < 1 %, kontinuierlich abnehmend
Bleiakkumulator 2 % (Sonderausführungen) bis 30 % (gängige Ausführungen)
Nickel-Cadmium-Akku 15−20 %
Nickel-Metallhydrid-Akku 15−100 %

Sanyo hat im August 2006 einen modifizierten NiMH-Akku namens Eneloop auf dem Markt gebracht, der eine Selbstentladung von lediglich 15 % pro Jahr haben soll. Ob dieses Versprechen eingehalten werden kann, werden Kurz- und Langzeittests herausfinden. Erste Tests zeigen einen Verlust von 6 % im ersten Monat nach dem Aufladen. (siehe auch NiMH-Akkumulator mit geringer Selbstentladung) Die Akkus haben außerdem eine andere Entladekennlinie als herkömmliche Akkus, sie ähnelt eher der von Primärbatterien. Dies führt dazu, dass Digitalkameras deutlich länger mit einer Ladung betrieben werden können, z. T. bis zu dreimal so lange wie mit herkömmlichen Akkus gleicher Kapazität. Die neuartigen NiMH-Akkus werden auch von anderen Herstellern unter deren eigenem Markennamen verkauft (siehe Liste). Durch die geringe Selbstentladung dieser Zellen kann z. B. eine Digitalkamera auch nach mehrmonatigem Nichtgebrauch einfach weiter betrieben werden, ohne zunächst die Akkus wieder aufladen zu müssen.

Um die Selbstentladung auszugleichen und die Akkumulatoren ständig einsatzbereit zu halten, müssen diese in regelmäßigen Abständen wieder geladen oder nach dem Laden mit der Erhaltungsladung ständig geladen werden. Letzteres wird bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen angewandt, die bis zum Einsatz ständig an das Stromnetz angeschlossen sind.

Literatur

  • David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002, ISBN 0-071-35978-8

Einzelnachweise

  1. http://www.eemb.com/Li-Polymer_battery/Li-Polymer-Standard_Version.html

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