Chemische Bauformen von Akkus

Welche Akku- und Batterie-Typen gibt es, was sind die Unterschiede und für welche Anwendungen eignen Sie sich besonders? Hier eine kleine Übersicht, die Ihnen Grundkenntnisse über das Verhalten dieser Energie-Speicher vermitteln soll:

Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Akku- und Batterie-Systemen, aber nur einige wenige haben sich für den alltäglichen Gebrauch wirklich durchgesetzt. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen so genannten "Primär-Systemen" und "Sekundär-Systemen". Ein Primär-System ist, was in der Umgangssprache als "Batterie oder Einwegbatterie" bezeichnet wird und bis auf wenige Ausnahmen nicht wiederaufladbar ist. Als Sekundär-Systeme bezeichnet man die wiederaufladbaren Batterien: Die Akkumulatoren oder einfach Akkus, auf welche im Folgenden noch etwas näher eingegangen wird.

Die verschiedenen Akku-Typen unterscheiden sich in der chemischen Zusammensetzung ihres Elektrolyts, der Elektroden und ihrer Bauform wobei der elektrochemische Vorgang beim Laden bzw. Entladen im Prinzip derselbe ist. Unterschiedliche Stromverträglichkeit, Temperaturverhalten, Ladecharaktere bzw. Entladeeigenschaften bestimmen die verschiedenen Anwendungsbereiche.
 

5-Jahresbatterien	Kapazität 1,3 Ah bis 33 Ah, Spannung 6 Volt und 12 Volt
10-Jahresbatterien	Kapazität 2 Ah bis 100 Ah, Spannung 12 Volt
Applikationen
Zyklenbetrieb	- Schnurlose Telefone , Laptop
Dauerladung	- KfZ - USV Systeme - Notbeleuchtungen
Eigenschaften	- Wartungsfreier Betrieb - Lange Lebensdauer > 5 Jahre - 100 % recyclebar

Der Blei-Akku, zu dem auch die Autobatterie gehört, ist einer der ältesten am verbreitetsten Akku-Typen. Hersteller unterscheiden bei Blei-Akkumulatoren prinzipiell zwischen festgelegten Elektrolyten und flüssigen Elektrolyten, wobei es offene (mit Säure als Elektrolyt) und geschlossene Blei-Akkus gibt.

Die Zellenspannung eines Blei-Akkus beträgt ca. 2V. Eine Autobatterie mit 12V besteht aus 6 hintereinander geschalteten Zellen. Geladen wird ein Blei-Akku mit konstanter Spannung, die die so genannte "Gasungsspannung", (die Spannung bei der Gasbläschen an den Elektroden entstehen), von 2.4V/Zelle nicht überschreiten sollte. Bei Erreichen dieser Spannung muss der Ladevorgang beendet werden.

Die Schnellladung eines Blei-Akkus ist im Gegensatz zu NiCd Akkus nicht so einfach, da unter normalen Bedingungen auf der einen Seite der Ladestrom durch den Innenwiderstand des Akkus selber begrenzt wird, auf der anderen die Gasungsspannung von 2.4V/Zelle nicht überschritten werden darf. Der maximal mögliche Ladestrom ergibt sich damit aus diesen Gegebenheiten.

Charakteristisch ist bei Blei-Akkus auch, dass während des Ladevorgangs mit einer Konstantspannungsquelle zuerst ein relativ geringer Strom fließt, der im Laufe der Zeit immer mehr ansteigt. Kritisch ist auch die Temperatur des Blei-Akkus während des Ladens, da die Gasungsspannung je nach Temperatur stark schwankt. Beim Entladen sollte darauf geachtet werden, dass keine Tiefentladung vorkommt (kleiner 1,75 V/Zelle), da sonst die Lebensdauer des Blei-Akkus stark verkürzt wird.

Blei-Akkus sollten auch nicht längere Zeit ungeladen lagern. Bei zu langer Lagerung kristallisiert das bei der Entladung entstandene Bleisulfat (Sulfatierung) und der Akku trocknet aus.

Vorteile	Nachteile
sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis ausgereifte, robuste Technik einfache Ladetechnik hochstromfähig recyclingfähig	sehr geringe Energiedichte hohes Gewicht schwermetallhaltig

 

 

 

	Zylinderzellen	Knopfzellen
Kapazität	110 mAh bis 11600 mAh	60 mAh bis 310 mAh
Spannung	1,2 Volt	1,2 Volt
Applikationen	- Unterhaltungselektronik - Messgeräte - Haushaltsgeräte - Medizintechnik - Powertoolmarkt - Hobbymarkt	- Real Time Clock (PC) - Messgeräte - Modellbau - Medizintechnik
Eigenschaften	- schnellladefähig - hohe Entladung	- Geringe Abmessungen - lötbadfähig - wartungsfrei

Beim NiCd Akkumulator besteht der Elektrolyt aus einer wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid (KOH), auch Kalilauge genannt. Er hat eine Ruhespannung von ca. 1.25V. Im Gegensatz zum Blei-Akku nimmt beim NiCd Akku der Elektrolyt nicht an der chemischen Umsetzung teil. Er hat ausschließlich die Aufgabe, den Ionenstrom zwischen den Elektroden zu leiten. Es kann auch keine Elektrodensubstanz in den Elektrolyten abwandern, wie es z.B. bei Blei-Akkus der Fall ist. Da der NiCd-Akku keine Änderungen in physikalischem Sinne erfährt, und sich auch seine Dichte nicht ändert, ist die Spannung während der Entladung relativ konstant, und seine Lebensdauer entsprechend hoch. NiCd-Akkus sind etwas leichter und die Baugröße ist in der Regel etwas kleiner als die vergleichbarer Blei-Akkus.

Geladen wird ein NiCd-Akku mit konstantem Strom, wobei der Ladestrom oft auf die Einheit C normiert wird. Wird z.B. ein Akku mit einer Kapazität von 1Ah mit 1A Ladestrom geladen, so spricht man theoretisch von einer Ladung mit 1C. In der Praxis jedoch wirken beim Laden parasitäre Effekte der Chemie und der Innenwiderstand des Akkus der Ladung etwas entgegen, sodass man um den Faktor 1,4 mehr Ladung einbringen muss, als die angegebene Kapazität des Akkus. Die meisten Hersteller geben als "normale Ladung" eine Ladung mit C/10 an. Multipliziert man diesen Wert mit 1,4, so wäre die Standard Ladezeit eines 1Ah NiCd-Akkus 14 Stunden mit einem Strom von 100mA.

NiCd-Akkus kann man auch Schnellladen (viele NiCd-Akkus bis ca. 4C). Allerdings sollte man beim Schnelladen darauf achten, dass der Akku dabei nicht überladen wird. Viele handelsübliche Schnellladegeräte schalten den Ladevorgang nach dem so genannten "Minus-Delta-U" Verfahren automatisch ab, wenn der Akku voll ist. Das "Minus-Delta-U" Abschaltkriterium bezieht sich auf den Effekt, dass die Energie nachdem der Akku voll ist, nicht mehr in den Akku "hineinfließt", sondern in andere elektrochemische Effekte umgewandelt wird (unter anderem auch Gasung und Wärme). Diese Effekte machen sich durch ein leichtes Absinken der Zellenspannung am Ende des Ladevorgangs bemerkbar, das elektronisch detektiert werden kann.

NiCd-Akkus können im Gegensatz zu Blei-Akkus in der Regel tiefentladen werden. Das gilt allerdings nur für Einzelzellen. Da durch leichte Kapazitätsunterschiede von in Serie geschalteten Zellen z.B. in Akku-Packs nicht alle Zellen gleich leer sind, kann es vorkommen dass manche Zellen dadurch durch Tiefentladung umgepolt werden, was sich negativ auf die Lebensdauer der Zellen auswirkt.

Wird ein NiCd-Akku mehrfach vor dem Wiederaufladen nicht vollkommen entladen, so kann es zu einem "Gedächtniseffekt" oder auch "Memory-Effekt" kommen. Jedes Mal wenn der Akku zu früh nachgeladen wird, bzw. zu lange mit einer Erhaltungsladung (Ladung von ca. C/20 zur Kompensation der Selbstentladung) geladen wird, verliert er etwas an Kapazität. Dieser Defekt kann durch mehrmaliges vollständiges Entladen und Laden des Akkus wieder behoben werden.

Vorteile	Nachteile
gutes Preis-Leistungsverhältnis sehr gute Verfügbarkeit ausgereifte, robuste Technik hohe Zyklenzahl Hochstrom-Entladefähig Ultraschnell-Ladefähig Breites Kapazitätsspektrum Große Auswahl an Baugrößen recyclingfähig	Geringe Energiedichte möglicher Memory-Effekt schwermetallhaltig

 

 

Zylinderzellen	Kapazität 550 mAh bis 8500 mAh
Prisma. Zellen	Kapazität 600 mAh bis 1240 mAh
Spannung	1,2 Volt / 9-V-Block
Applikationen	- Telefone - Kassensysteme - Barcodeleser
Eigenschaften	Doppelte Energiedichte wie NiCd Batterien

 

Vorteile	Nachteile
sehr hohe Energiedichte gutes Preis-Leistungsverhältnis gute Verfügbarkeit kein Cadmium	eingeschränkter Temperaturbereich nicht hochstromfähig sensibler im Lade- und Entladeverhalten relativ hoher Ladekontrollaufwand nicht recylebar möglicher Memory-Effekt

 

	Zylinderzellen	Knopfzellen	Stabzellen
Kapazität	1000 mAh bis 18500 mAh	18 mAh bis 1000 mAh	25 mAh bis 50 mAh
(aufladbar)		0,9 mAh bis 100 mAh
Spannung	3,0 Volt und 3,6 Volt	1,5 Volt und 3 Volt	3 Volt
Applikationen	- Verbrauchszähler - Funkgeräte - Telekommunikation	- Uhren,Speicher - Stromversorgung von Leiterplatten - Medizintechnik	- Walkman - Mikrophone - LED Versorgungen
Eigenschaften	- Temperaturbereich: -55°C bis 85°C - lange Lagerfähigkeit - hohe Zuverlässigkeit	- sehr lange Lagerdauer - hohe Energiedichte	- kleine Bauform - leicht

Zylinderzellen	Kapazität 830 mAh bis 1500 mAh
Prisma. Zellen	Kapazität 630 mAh bis 5000 mAh
Spannung	3,6 Volt und 3,7 Volt
Applikationen	- Telefone - Medizintechnik
Eigenschaften	- hohe Energiedichte - kein Memory-Effekt - geringes Gewicht

Neue Maßstäbe in jeder Hinsicht setzt der seit Mitte 1990 erhältliche Li-Ion-Akku.
Hinsichtlich der Speicherdichte, der Baugröße und des Gewichts ist dieser Typ fast
unschlagbar, aber leider auch etwas teurer.

Durch seine Zellenspannung von 3,6-3,8 Volt braucht man für viele Anwendungen nur noch
eine Zelle. Ein Memory-Effekt ist praktisch nicht vorhanden, das Nachladen kann deshalb
jederzeit und bei jedem Kapazitätszustand erfolgen.

Ein kleiner Nachteil ist die Temperaturabhängigkeit einer solchen Zelle. Die empfohlene
Betriebstemperatur beträgt 5-30° C, außerhalb dieses Bereichs ist die Kapazität
dementsprechend geringer.

Das Funktionsprinzip einer Li-Ion-Zelle ähnelt der eines NiCd-Akkus. Die Energie wird ebenso durch Austausch der Elektronen zwischen den Elektroden erzeugt.

Allerdings dient hier als Elektrolyt ein gelöstes Lithium-Salz, in dem während des Ladens
Lithium-Ionen gespeichert werden. Die positive Elektrode besteht hier aus Kohlenstoff.
 

Vorteile	Nachteile
hohe Energiedichte sehr leicht hohe Zellenspannung kein Memory-Effekt geringe Selbstentladung	schlechte Verfügbarkeit nicht hochstromfähig aufwendige Schutzbeschaltung schlechtes Preis/Leistungsverhältnis empfindlich gegen Über- oder Unterspannung

 

 

 

Zylinderzellen	Kapazität 500 mAh bis 17800 mAh
Spannung	1,5 Volt / 9 Volt
Applikationen	- Consumer Anwendungen - Radio, Kassettenrecorder
Eigenschaften	- günstige Erstbestückung - lange Lebensdauer > 5 Jahre - Quecksilber und Cadmiumfrei