Funktionen und Anwendungen von Akkus
Die Einsatzmöglichkeiten von Akkumulatoren, kurz Akkus, sind vielfältig. Möglich wurde unsere heutige elektronische Mobilität erst mit der Erfindung der galvanischen Zelle durch den italienischen Biophysiker Luigi Galvano. Seit seiner Entdeckung, mit Hilfe eines Stromkreises chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, hat sich über die jahrzehntelange Weiterentwicklung der Batterie bis hin zu den uns heute geläufigen Akkus allerhand getan. Aber wie funktioniert ein Akku überhaupt? Welche Arten gibt es? Und wo liegen seine Anwendungsbereiche?
Funktionen von Akkus
Grundsätzlich besteht ein Akku immer aus zwei Elektroden, einer negativen und einer positiven, und einem Elektrolyt, in Form eines Gels, einer flüssigen Lösung oder eines Feststoffes. Sowohl für die Funktion der Elektroden als auch für den Elektrolyten werden heute verschiedene chemische Stoffe verbaut. Wenn ein Akku geladen wird, fließt Strom durch den Elektrolyten, wodurch im Inneren des Akkumulators eine chemische Reaktion ausgelöst wird. Die negative, wie auch die positive Elektrode werden hierbei chemisch verändert. Je nach Akku-Art fällt diese Reaktion unterschiedlich aus.
Wenn der Akku voll ist, können Sie, was heute selbstverständlich ist, den dem Akku zugeführten Strom wieder entnehmen bzw. nutzen. Dadurch findet die nächste chemische Reaktion im Inneren des Akkumulators statt, im Gegensatz zum Ladevorgang aber andersherum.
Die Stromentnahme kann dementsprechend so lange stattfinden, bis innerhalb des Akkus keine chemische Reaktion mehr stattfindet. Im Optimalfall kann der Akku die gleiche Menge Strom abgeben, wie ihm zugeführt wurde. Theoretisch hat ein Akku einen Wirkungsgrad von 100 Prozent. Da der Akku aber faktisch nur in der Lage ist, etwa 70 bis 95 Prozent wieder abzugeben, muss beim Ladevorgang etwas mehr Strom zugeführt werden, als später entnommen werden kann. Hat ein Akku im Laufe der Zeit kein ausreichendes Elektrolytmaterial mehr zur Verfügung, kann er nicht mehr aufgeladen werden. Dies kann bei älteren Akkus bereits nach zwei bis drei Jahren der Fall sein, modernere Akkus halten auf Grund der stetig steigenden Qualität und der technischen Anpassung an die geforderten Nutzungsbedingungen im Regelfall länger.
Da bei vielen mobilen Geräten der direkte Austausch des Akkus ohne versierte Hilfe heute kaum mehr möglich ist, kann die Laufzeit eines Akkus auch auf die Kaufentscheidung für ein Produkt einwirken. Ab dem Zeitpunkt, an dem der Akku nicht mehr aufgeladen werden kann, finden ungewollte chemische Reaktionen im Inneren des Akkus statt, die zum Beispiel zu einer Zersetzung des Elektrodenmaterials, des Elektrolyten, führen können. Da viele Akkus flüssige Elektrolyte beinhalten, wird das dort enthaltene Wasser dadurch in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet, kurz: es findet eine Elektrolyse statt. Durch diese Veränderung wird die Nutzungskapazität des Akkus vermindert. Daher sollte der Ladevorgang jedes Akkus nach vollständiger Ladung sofort beendet werden. Aber nicht nur der Ladevorgang, sondern auch Art und Qualität des Akkus sowie die geeignete Temperatur im Gebrauchs- und Lagerzustand können Einfluss auf die Lebensdauer Ihres Akkus nehmen.
Zu den heute geläufigsten Akku-Arten gehören Lithium-Ionen-Akkus, Nickel-Cadmium-Akkus und Nickel-Metallhydrid-Akkus. Jeder dieser Akku-Typen ist unterschiedlich zusammengesetzt und wird für verschiedene Bereiche eingesetzt.
So funktioniert’s
Die positive Elektrode besteht meist aus oxidierenden Metallen, Oxiden oder Salzen. Die negative Elektrode ist häufig eine Metallelektrode und der Elektrolyt ist hierbei Wasser mit Leitsalz, organisches Lösungsmittel mit Leitsalz oder ein anderer Ionenleiter. Oberfläche, Porosität und Benetzungsverhalten mit dem Elektrolyten spielen bei der Materialauswahl eine zentrale Rolle, können aber auch, je nach Größe der Oberfläche und der Intensität der Porosität, für die Verringerung der Energiedichte mitverantwortlich sein (Quelle). Im Akku können die aktiven Materialien nicht nachgefüllt werden, daher ist eine hohe Zyklen-Effizienz notwendig. Denn je länger der Akku hält, also je mehr Lade-Entlade-Zyklen er durchhält, desto länger haben Sie was von Ihrem Akku.
Bild 2: https://www.akku.net/Akku-Info/1.70.ACE.2.2,Akku-f%C3%BCr-Acer-CS-6531-N.html
Der Lithium-Ionen-Akku hat eine positive Elektrode aus Lithium-Metalloxid und eine negative aus Graphit. Die positive Elektrode muss aus einem besonders leichten Material sein, damit sie beim Entladen der negativen Elektrode die abgegebenen Lithium-Ionen aufnehmen kann. Der Elektrolyt ist hier ein wasserfreies, aber brennbares Lösungsmittel.
Bild 2: https://www.akku.net/Akku-Info/1.20.MAK.4.19,Akku-f%C3%BCr-Makita-5092D.html
Beim Nickel-Cadmium-Akku bestehen die negative Elektrode (siehe Abb. 1 und 2, Minus-Elektrode) aus Cadmium und die positive aus Nickel (III)-oxidhydroxid. Graphit und weitere Metalle, welche beim Ladevorgang nicht reagieren, werden zur Steigerung der Leitfähigkeit hinzugegeben. Eine zwanzigprozentige Kaliumhydroxid-Lösung bildet hierbei den Elektrolyt.
Bild 2: https://www.akku.net/Akku-Info/1.77.PHI.1.16,Akku-f%C3%BCr-Babyphone-Philips-486-91.html
Im Inneren des Nickel-Metallhydrid-Akkus findet sich eine positive Elektrode aus Nickel(III)Oxyhydrat und eine negative Elektrode, die aus einem Metallhydrid gefertigt wird. Als Elektrolyt wird eine zwanzigprozentige Kalilauge bzw. ein alkalischer Elektrolyt verwendet.
Die Leistung der jeweiligen Akkumulatoren ist vom Fraunhofer-Institut Chemische Technologie wie folgt dargestellt (Quelle):
| Energiedichte | Einheit | NiCd | NiMH | Li-Ion | Li-Po |
|---|---|---|---|---|---|
| Volumetrisch | Wh/L | 180 | 300 | 350 | 270 |
| Gravimetrisch | Wh/kg | 50 | 70 | 140 | 150 |
Die Energiedichte wird hierbei in Energievolumen Wh/l dargestellt und gibt den Energieinhalt pro Volumen an. Die Energiedichte wird hier in Energiegewicht Wh/kg angegeben und gibt den Energieinhalt pro Gewicht an. Je höher beide Werte sind, desto ‚leistungsfähiger‘ ist der jeweilige Akku. Wie oben zu sehen, schneiden der Lithium-Ionen-Akku und der Nickel-Metallhydrid-Akku am besten ab, was wiederum der Grund für ihren häufigen Nutzen sein dürfte.
Anwendung der Akkus
Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion-Akkus)
Diese Art von Akkus wird vorwiegend in Notebooks und Digitalkameras verbaut, ist sehr leicht und besitzt keinen Memory-Effekt. Als Memory-Effekt wird der Merk-Effekt des Akkus bezeichnet: Wird ein Akku vor dem Laden nur teilentladen, ist also noch halb oder zu einem Viertel voll, „merkt“ sich der Akku dies und wird bei folgenden Entladungen nicht mehr seine volle Kapazität an Strom zur Verfügung stellen. Bei modernen Akkus tritt dieser Effekt aber nicht auf. Der Lithium-Ionen-Akku hat eine sehr hohe Energiedichte, er kann auf gleichem Raum bis zu fünf Mal mehr Energie speichern als ein Nickel-Metallhydrid-Akku (Quelle), und besitzt eine überaus geringe Selbstentladung, wenn er vernünftig gelagert wird. Als Selbstentladung wird der eigene Energieverbrauch des Akkus bezeichnet, der Akkumulator verliert im Laufe der Zeit an Ladung, obwohl kein äußerer Strom fließt. Wenn ein Lithium-Ionen-Akku zu hohen Temperaturen ausgesetzt wird, verringert sich seine Lebensdauer stark. Leider benötigen diese Akkus eine Reihe an Schutzelektronik, da sie sich sonst bereits bei geringer Überladung entzünden könnten. Diese Form des Akkus existiert zudem in einer Form mit einem polymeren Elekrolyt, dem Lithium-Polymer-Akku. Da Lithium-Ionen-Akkus und auch Lithium–Polymer-Akkus in mobilen Endgeräten wie Handy, Notebook und Tablets eingesetzt werden, hängt die Lebensdauer auch von der richtigen Nutzung des Akkus ab. Welche Mythen sich beispielsweise um das richtige Laden und Entladen von Handy-Akkus ranken, erfahren Sie hier.
Nickel-Cadmium-Akku (NiCd-Akkus)
Vorwiegend aus dem portablen Werkzeugbereich bekannt, ist die Nutzung des Nickel-Cadmium-Akkus seit 2004 EU-weit eingeschränkt und nur noch für bestimmte Arten von portablen Elektrogeräten zulässig (Quelle). Ab 2016 wird die Verwendung von Cadmium in Gerätebatterien und -akkus endgültig verboten werden (Quelle). Momentan sind Nickel-Cadmium-Akkus für die Nutzung von Elektrowerkzeugen und im medizinischen Bereich noch zugelassen. Der Vorteil des Akkus ist seine überaus lange Haltbarkeit, seine Kälteresistenz und er ist sehr schnell aufladbar. Der NiCd-Akku ist bei Anforderung von hohen Strömen ideal, da er einen sehr kleinen Innenwiderstand hat und dadurch extrem hohe Stromstärken liefern kann.
Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH-Akkus)
Dieser Akku ist cadmiumfrei, kommt aber trotz der ebenfalls notwendigen Verbauung von Nickel ohne Cadmium aus und ist dadurch umweltfreundlicher. Der Nickel-Metallhydrid-Akku ist ausschließlich für den Gebrauch über einer Temperatur von 0 Grad Celsius geeignet und Überladung, Tiefentladungnd Überhitzung schaden ihm gewaltig. Die Tiefentladung verstärkt den Memory-Effekt und wirkt sich somit negativ auf die Akku-Kapazität aus. Zudem besitzt der Akku eine hohe Affinität zur Selbstentladung. Diese Art der Akkumulatoren wird in der Form wie handelsübliche Kleinbatterien verbaut und verfügen über eine hohe Energiedichte. Häufig wird der Akku für Geräte wie Babyphones, Kleinleuchten und Elektroautos verwendet.
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