Akkumulator (Elektrotechnik)

12-V-„Autobatterie“ aus sechs Sekundärzellen

Ni-MH-Akkumulator im Standardformat „AA“

Lithium-Ionen-Batterie mit elf in Reihe geschalteten Zellen
Klemmenspannung: 40 Volt

Ein Akkumulator (auch: Akku; veraltet: Sammler) ist ein Speicher für elektrische Energie, meist auf Basis eines elektrochemischen Systems. Er besteht entweder aus einer wiederaufladbaren Sekundär-Zelle oder mehreren, welche zur Erhöhung der Gesamtspannung in Reihe geschaltet werden.

Abgrenzung

Kondensatoren speichern elektrische Ladungen proportional zur Spannung. Die hierbei gespeicherte Energie ist meist wesentlich geringer als die von Batterien. Da die Ladungen elektronisch vorliegen und nicht an chemische Redoxreaktionen gebunden sind, können sie bei geringem Serienwiderstand oder bei geringer Impedanz sehr schnell von einem Kondensator aufgenommen oder abgegeben werden. Solche Kondensatoren eignen sich für Anwendungen, die kurzzeitig hohe Leistungen erfordern.

Funktionsweise

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie gewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt (siehe dazu: Galvanische Zelle). Die von einer elektrochemischen Zelle typische elektrische Nennspannung hängt von der Art der verwendeten Materialien ab.

Verwendung

Akkumulatoren kommen zur Anwendung, wo ein zeitweise oder gänzlich netzunabhängiger Betrieb von elektrischen und elektronischen Geräten erforderlich oder gewünscht ist.

Bereiche für den Betrieb netzferner Verbraucher sind beispielsweise Hütten in ländlichen Gegenden (etwa ein Drittel der Menschheit wird auf absehbare Zeit nicht an elektrische Netze angebunden sein), die nur über Solarzellen, Wind- oder Dieselgeneratoren versorgt werden. Hierzu zählen auch Telemetrie-Einrichtungen und Automaten, für die eine Netzanbindung zu kostspielig ist.

Ein bedeutendes Anwendungsgebiet von Akkumulatoren sind die sogenannten Starterbatterien für die Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen. Sie liefern über einen Anlasser die zum Start der Motoren (Diesel- und Ottomotoren sowie Gasturbinen) erforderliche Energie. Nach dem Start werden sie über die Lichtmaschine oder einen Anlassgenerator wieder geladen und dienen nun lediglich dem Ausgleich von Belastungsschwankungen des Bordnetzes.

Kraftfahrzeuge, Schiffe und sogar kleine Flugzeuge können auch ausschließlich elektrisch mit sogenannten Traktions-Akkumulatoren (Traktionsbatterien) betrieben werden. Einen kombinierten Betrieb mit Elektromotor und Verbrennungsmotor nennt man Hybridantrieb. Beide Einsatzgebiete von Akkumulatoren (Hybridbatterie) erfahren gegenwärtig eine starke Entwicklung.
Auch konventionelle U-Boot-Antriebe bestehen aus einem Dieselmotor (Benutzung zum Fahren und Laden bei ungetauchter Fahrt) und einem Akkumulator (Tauchfahrten).

Akkumulatoren dienen auch zur Überbrückung von Unterbrechungen in der stationären Energieversorgung. Wichtige Bereiche, die es mit einer Notstromversorgung abzusichern gilt, sind z. B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Für Anlagen mit hoher Leistung werden Dieselgeneratoren eingesetzt. Bis diese die dafür nötige Drehzahl erreicht haben, übernimmt die meist mit Bleiakkumulatoren betriebene, viel schneller auf Spannungsunterbrechungen reagierende unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die Energieversorgung. Es gibt aber immer noch Installationen, die eine Schwungmasse verwenden, die, solange die Netzversorgung vorhanden ist, in schneller Rotation gehalten wird und bei Ausfall des Netzes an den Dieselgenerator gekoppelt wird und diesen in wenigen Bruchteilen einer Sekunde zum Laufen bringen. Die Versorgungslücke, bevor der Dieselgenerator tatsächlich startet, gleicht die Schwungmasse aus: Sie liefert kurzzeitig mechanische Energie an den Generator. Der Vorteil dieser Konstruktion ist die Einfachheit: Es gibt keine (früher teure) USV und die Schwungmasse wird eingeklinkt, wann immer das Netz ausfällt.

Des Weiteren werden viele vorwiegend kleinere Akkuwerkzeuge und akkumulatorbetriebene Haus- und Gartengeräte eingesetzt. Mobiltelefone oder Notebooks werden fast immer nur mit Akkus betrieben.

Typen

Blei-Gel-Akkumulator

Die Akkumulatortypen^[1] werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

• Pb – Bleiakku (2 V Nennspannung/Zelle)
• NiCd – Nickel-Cadmium-Akku (1,2 V Nennspannung/Zelle)
• NiH2 – Nickel-Wasserstoff-Akkumulator (1,5 V Nennspannung/Zelle)
• NiMH – Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (1,2 V Nennspannung/Zelle)
• Li-Ion – Lithium-Ionen-Akku (3,62 V Nennspannung/Zelle)
• LiPo – Lithium-Polymer-Akku (3,7 V Nennspannung/Zelle)
• LiFe – Lithium-Metall-Akku
• Li-Mn – Lithium-Mangan-Akku (3,6 V Nennspannung/Zelle)
• LiFePO₄ – Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator (3,2 V Nennspannung/Zelle)
• LiTi – Lithium-Titanat-Akku
• LiS - Lithium-Schwefel-Akkumulator
• RAM – Rechargeable Alkaline Manganese (1,5 V Nennspannung/Zelle)
• PTMA – modifiziertes PTMA, genauer: 2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxy-4-yl-Methacrylat, ein umweltverträgliches organisches Polymer
• Ni-Fe – Nickel-Eisen-Akku (1,2–1,9 V Nennspannung/Zelle)
• Na/NiCl – Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie-Batterie (Markenbezeichnung: Zebra-Batterie ) (2,58 V Nennspannung/Zelle)
• SCiB – Super Charge Ion Battery
• Silber-Zink-Akku (1,5 V Nennspannung/Zelle)
• Vanadium-Redox-Akkumulator
• Zink-Brom-Akku (1,76 V Nennspannung/Zelle)

Energiedichte und Wirkungsgrad

Bei sehr vielen Anwendungen ist die Energiedichte ausschlaggebend, mit der sich die Gesamtmasse des Akkumulators ermitteln lässt, wenn die zu speichernde Energiemenge vorgegeben ist. Als Hinweis gilt folgender einfache Zusammenhang: Je höher die Energiedichte, desto höher ist der Preis. Dieser liegt bei allen Akkus etwa bei 100 €/kWh. Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird außerdem Wärme freigegeben, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet.

Akkumulatortyp	Energiedichte [Wh/kg]	Wirkungsgrad[2]	Besonderheit
Bleiakkumulator	30	60–70 %
Lithium-Ionen-Akkumulator	120–140	80 %	neuere Modelle schnellladefähig[3]
Lithium-Polymer-Akkumulator	140	80 %
Lithium-Titanat-Akkumulator	70–90	90–95 %	schnellladefähig
Lithium-Schwefel-Akkumulator	350	?	hohe Energiedichte
Natrium-Schwefel-Akkumulator	120	89 %	350 °C, keine Selbstentladung
Nickel-Cadmium-Akkumulator	40–60	70 %	EU-weit verboten
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator	60–80	70 %
Nickel-Wasserstoff-Akkumulator	75
Zebra-Batterie (Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator)	100–120	80–90 %

Ein Vergleich zeigt die Vor- und Nachteile von Akkus gegenüber anderen Speicherverfahren.

Ladungsmenge und Kapazität

Li-Ionen-Akku für Digitalkameras

Die Ladungsmenge, die ein Akkumulator speichern kann, wird in Amperestunden (Ah) angegeben und als „Kapazität“ (Nennkapazität) bezeichnet. Diese darf nicht verwechselt werden mit der Kapazität eines Kondensators, die in Amperesekunde pro Volt (As/V) definiert ist und in der Einheit Farad (F) angegeben wird.

Die beim Akku entnehmbare Kapazität hängt vom Entladeverlauf ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung des Akkus (der Spannung, bei der die Entladung beendet wird), und selbstverständlich vom Ladezustand. Es ergeben sich verschiedene Entladungsarten: u. a.: Entladung mit konstantem Strom, Entladung über konstanten Widerstand oder Entladung mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverlauf besitzt der Akku eine andere Kapazität. In einer aussagekräftigen Angabe der Nennkapazität müssen daher sowohl der Entladestrom als auch die Entladeschlussspannung angegeben werden.

Generell nimmt die entnehmbare Kapazität eines Akkumulators mit zunehmendem Entladestrom ab. Grund hierfür sind sowohl die zunehmenden Verluste am Innenwiderstand des Akkus als auch die Tatsache, dass die chemischen Prozesse im Akku mit begrenzter Geschwindigkeit ablaufen. Die Verringerung der entnehmbaren Kapazität mit zunehmendem Entladestrom unterscheidet sich bei den verschiedenen Akkutypen erheblich.

Für die entladestromabhängige Kapazität haben sich zeitabhängige Angaben eingebürgert. So gibt die C20-Kapazität die verfügbare Energiemenge an, wenn der Akku innerhalb von 20 Stunden mit einem gleichmäßigen Entladestrom bis zur Entladeschlussspannung entladen wird. Multipliziert man die Nennkapazität (Maßeinheit: Ah) mit der Nennspannung (Maßeinheit: Volt), so ergibt sich der Energiegehalt (Maßeinheit: Wh).

Um die Spannung zu vervielfachen, werden mehrere Zellen gleicher Kapazität in Reihe geschaltet. Die Zellen können dabei in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst werden, wie es zum Beispiel bei der Fahrzeug-Starterbatterie üblich ist, die meist aus sechs Zellen für insgesamt 12 Volt Nennspannung besteht. Mechanisch und elektrisch verbundene Akkumulatoren werden auch Akkupack genannt.

Beim Aufladen kommen, je nach Akkutyp, verschiedene Ladeverfahren zur Anwendung. Der Ladevorgang wird dabei durch einen Laderegler gesteuert.

Die Haltbarkeit bzw. Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren wird mit der Zahl von Lade-/Entlade-Zyklen angegeben, nach der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Lade-Kapazität hat. Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwerte an.

Die Leerlaufspannung kann als Indiz für die Qualität eines Akkumulators dienen: Im Laufe der Lebensdauer sinkt aufgrund von chemischen Reaktionen (Alterung) die Leerlaufspannung bei einem vollständig geladenem Akku ab.

Entsprechend dem Wear Level, der Abnutzung des Akkumulators, sinkt im Verlauf der Lebensdauer die Ladekapazität und damit auch die Energiedichte.

Selbstentladung – empfohlene Lagerung

Wird ein Akku nicht verwendet, so verliert er über die Zeit einen Teil seiner gespeicherten Energie. Diesen Vorgang nennt man Selbstentladung. Das Maß der Selbstentladung hängt von Typ und Alter des Akkus sowie von der Lagertemperatur ab.

Für die Lagerung von Akkus wird meistens folgendes empfohlen: (Hinweis: Der Ladezustand ist relativ gesehen zur Entladeschlussspannung. Das heißt, wenn ein Akku einen Ladezustand von 0 % aufweist, dann ist damit gemeint, dass er seine Entladeschlussspannung erreicht hat, bei NiCd- und NiMH-Akkus liegt diese z. B. bei 0,9 V bzw. 1,0 V.)

• Li-Ion: Ladezustand 60 %, 20 °C; monatlich < 2 %
• Bleiakku: Ladezustand 100 %, möglichst kühl lagern; Selbstentladung monatlich 5–10 % (Blei-Säure) bzw. 2–5 % (Blei-Gel), ein über längere Zeit entladener Akku ist zerstört
• NiMH: Ladezustand 40 %; Selbstentladung monatlich um 15–25 %
• NiCd: Ladezustand 40 %. Selbstentladung monatlich um 10 %
• Alkali-Mangan RAM-Zellen: Ladezustand 100 %; Zellspannung sollte nicht unter 1,2 V sinken

Sanyo hat im August 2006 einen modifizierten NiMH-Akku namens Eneloop auf dem Markt gebracht, der einer Selbstentladung von lediglich 15 % pro Jahr unterliegt. Es handelt sich hierbei um sogenannte LSD-Akkus (Low Self Discharge), die aufgrund ihrer geringen Selbstentladung als bereits vorgeladene Akkus verkauft werden und daher im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus vor der ersten Benutzung durch den Käufer nicht aufgeladen werden müssen. Ähnliche Akkus haben Conrad Electronic unter dem Namen Endurance, Ansmann unter dem Namen maxE, Uniross unter dem Namen Hybrio, GP unter dem Namen Recyko, Panasonic unter dem Namen Infinium und Varta unter dem Namen Ready2Use herausgebracht. Auch hierbei soll es sich um modifizierte NiMH-Akkus handeln, die problemlos mit jedem NiMH-Ladegerät geladen werden können.

(Alle Angaben zur Selbstentladung beziehen sich auf Raumtemperatur)

Auswahlkriterien

Kriterien für die Auswahl eines Akkumulatortyps für eine bestimmte Anwendung sind unter anderem:

• Die gravimetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wie viel elektrische Energie ein Akkumulator pro Masse (zum Beispiel Kilogramm) liefern kann. Dieser Wert ist besonders interessant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Herkömmliche Bleiakkus erreichen hier rund 30 Wh/kg, Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akkus) bis zu 140 Wh/kg.
• Die volumetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wie viel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Volumen (zum Beispiel Liter) liefern kann. Hier liegt der Wert für herkömmliche Bleiakkus bei ca. 50 Wh/l, bei Li-Ion-Akkus etwa 500 Wh/l.
• Der maximal mögliche Entladestrom. Er ist wichtig für alle Anwendungen, bei denen kurzzeitig sehr hoher Leistungsbedarf besteht. Dies ist zum Beispiel beim Starten von Fahrzeugmotoren der Fall, aber auch bei Elektrowerkzeugen und Autofocus-Kameras, insbesondere mit integrierten Blitzgeräten.
• Die möglichen Dimensionen (Abmessungen und Gewicht) und Bauformen der Akkuzelle. Sie sind entscheidend, wenn der Akku auf möglichst kleinem Raum in elektronischen Geräten integriert werden soll. Ein gasdichter Aufbau etwa eines Gelakkumulators ermöglicht den lageunabhängigen Einsatz ohne Gefahr durch auslaufenden Elektrolyt oder korrosive Gase
• Der Memory-Effekt bei NiCd oder Batterieträgheitseffekt bei NiMH tritt abhängig vom Lade- und Entladeverfahren auf und führt zu erheblichen Verringerungen der Kapazität (NiCd) oder Spannung (NiMH). In Anwendungen, bei denen der Akku nicht regelmäßig vollständig entladen und wieder voll aufgeladen wird, sollten deshalb Akku-Arten verwendet werden, die für diese Effekte nicht anfällig sind, zum Beispiel Blei-Akkus.

Aus der Anwendung der oben genannten Kriterien ergeben sich für jeden Akkutyp einige typische Anwendungsgebiete, wobei insbesondere bei NiCd-, NiMH- und Li-Ion-Akkus die Übergänge fließend sind:

• Lithium-(Nano)-Titanat-Akku: Antrieb von Elektro-Kraftwagen mit großen Reichweiten.
• Bleiakku: Starter-Batterien für Fahrzeuge mit Verbrennungs-Motoren, Stationärbetrieb in Notbeleuchtungsanlagen und Insel-Fotovoltaik-Anlagen
• NiCd-Akku: Elektrowerkzeuge, Antriebe im Modellbau, portable elektronische Geräte mit kurzzeitig hoher Stromaufnahme (Foto-Blitzgeräte)
• NiMH-Akku: portable elektronische Geräte mit konstanter Stromaufnahme, Modellbau, Antriebe
• Li-Ion-Akku: portable elektronische Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit (Mobiltelefone, Notebooks, Kameras)
• Li-Po-Akku: Antriebe im Modellbau, Mobiltelefon
• Li-Mn-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Fahrzeugakku für extreme Reichweiten
• Li-Fe-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Fahrzeugakku für extreme Reichweiten
• kein Akku: sondern Alkalimangan-Zellen bei Anwendungen mit geringerem Energieverbrauch als 0,01 Wh/Tag, wie Uhren, Fernbedienungen, Thermometer, Feuermelder, selten benutzte Waagen.

Als Alternative zu Akkus wird Wasserstoff als Energieträger diskutiert, aus dem Brennstoffzellen elektrische Energie gewinnen. Hierbei muss bei Vergleichen mit Akkumulatoren auch das (sehr hohe) Gewicht des Treibstoff-Behälters berücksichtigt werden. Zu vergleichen sind korrekter Weise hier das Brennstoffzellen-System einschließlich Treibstoff und Behälter mit dem (voll aufgeladenen) Akku. Die höheren Kosten und das Gewicht haben zu keinen marktreifen Produkten geführt.

Konkurrierende Energiespeicher sind auch Hydraulikspeicher sowie elektrochemische Stromquellen wie die Redox-Flow-Zelle.

Literatur

• Edmund Hoppe: Die Akkumulatoren für Elektricität. Julius Springer, Berlin 1892 (Digitalisat).
• David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002. ISBN 0-07-135978-8.
• Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998. ISBN 3-540-62997-1.
• Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien. In: Chemie in unserer Zeit (ISSN 0009-2851), 33. Jg. 1999, Heft 5, Seite 252–266 und Heft 6, S. 320–332.
• Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Printyourbook 2006. ISBN 978-3-939359-11-1.
• DIN 40 729 Akkumulatoren – Galvanische Sekundärelemente – Grundbegriffe.

Weblinks

• Umfangreiche Informationen zum Aufbau und zur Pflege von Akkumulatoren, BatteryUniversity.com

Einzelnachweise

1. ↑ Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung (PDF-Datei, 1,06 MB), (Jun.-)Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer, ISEA (RWTH Aachen)
2. ↑ Alles über Akkus (Informationen über Akkus und Batterien und Ladetechnik/Lagegeräte), funkcom.ch, Matthias Frehner
3. ↑ Der Super-Akku, pro-physik.de

Galvanische Zellen

Primärzellen:  Alkali-Mangan-Batterie | Daniell-Element | Leclanché-Element | Lithium-Batterie | Lithium-Eisensulfid-Batterie | Nickel-Oxyhydroxid-Batterie | Quecksilberoxid-Zink-Batterie | Silberoxid-Zink-Batterie | Zink-Braunstein-Zelle | Zinkchlorid-Batterie | Zink-Luft-Batterie
Sekundärzellen:  Bleiakkumulator | Natrium-Schwefel-Akkumulator | Nickel-Cadmium-Akkumulator | Nickel-Eisen-Akkumulator | Nickel-Metallhydrid-Akkumulator | Nickel-Wasserstoff-Akkumulator | Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator | Lithium-Ionen-Akkumulator | Lithium-Mangan-Akkumulator | Lithium-Polymer-Akkumulator | Lithium-Titanat-Akkumulator | Vanadium-Redox-Akkumulator
Ausführungen:  Akkumulator | Batterie | Brennstoffzelle | Konzentrationselement | Redox-Flow-Zelle | Bestandteile: Halbzelle (Donator- und Akzeptorhalbzelle)