Wer hat’s erfunden? – die bewegte Geschichte des Akkumulators

Der Akku ist aus dem digitalen Zeitalter gar nicht mehr wegzudenken. In Smartphones, Laptops und Tablets ist er unabdingbar, im Elektro-Auto gehört ihm die Zukunft. Doch woher kommt diese Form des wiederaufladbaren Energiespeichers eigentlich? Wie hat alles angefangen? Hier lesen Sie die spannende Geschichte des Akkus!

Die toten Frösche des Luigi Galvani

1789 kennt man als das Jahr der Französischen Revolution. Doch nicht nur eine politische, auch eine wissenschaftliche Revolution vollzog sich in jenem Jahr, als der italienische Arzt und Naturforscher Luigi Galvani in seinem Labor mit Froschschenkeln experimentierte. Zu seiner Überraschung fand er nämlich nicht das von ihm vermutete Nervenfluidum, sondern die Tatsache, dass die Muskeln zuckten, wenn er sie mithilfe von miteinander verbundenen Nadeln aus Eisen und Kupfer berührte.

Was Galvani noch nicht wusste: Er hatte einen Stromkreis aus zwei verschiedenen Metallen (Elektroden) und einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt), hier das salzige Wasser im Froschgewebe, geschaffen. Die Muskelzellen lieferten dabei den Verbraucher im Stromkreis. Galvani gilt mit dieser ungewollten Erfindung als Urvater von Batterie und Akku. Seither bezeichnet man eine Vorrichtung aus Elektroden und Elektrolyt daher als galvanische Zelle oder galvanisches Element. Sie dient der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie.

Volta und die Ur-Batterie

Rund zehn Jahre nach Galvani war es erneut ein Italiener, dem mit einer zukunftsweisenden Erfindung der nächste große Schritt in Richtung der späteren Batterie gelang. Alessandro Volta übernahm das galvanische Prinzip und nutzte eine Kupfer- und eine Zinkplatte als Elektroden, zwischen die er in Salzsäure getränkte Pappe oder Textilien als Elektrolyt fügte. Doch das war ihm noch nicht genug: Er stapelte seine Konstruktion in mehreren Schichten übereinander, wodurch eine brauchbare elektrische Spannung erzeugt wurde. Diese sogenannte Voltasche Säule stellt eine Art Ur-Batterie dar. Lange vor der Erfindung des elektrischen Generators gelang Volta damit die Konstruktion der ersten kontinuierlichen Stromquelle.

Anerkennung fand seine Pionierleistung allerdings erst nach seinem Tod. Die Maßeinheit für elektrische Spannung wurde nach Alessandro Volta benannt, wir haben tagtäglich damit zu tun: Volt.

Eine Batterie zum Wiederaufladen

Für uns von akku.net ist er natürlich einer der bedeutendsten Physiker der Geschichte: Johann Wilhelm Ritter entwickelte 1802 den Vorläufer des heutigen Akkumulators, also einer wiederaufladbaren Batterie. Zu diesem bedeutenden und trotzdem fast vergessenen Mann finden Sie hier einen interessanten Artikel.

Ritters Erfindung, die nach ihm benannte Rittersche Ladungssäule, ähnelte im Aufbau der von Volta, nur, dass er statt einer Kupfer- und einer Zinkplatte lediglich Kupferscheiben verwendete. Diese für sich spannungsfreie Konstruktion verband er mit einer Voltaschen Säule, deren Ladestrom die chemische Beschaffenheit der Kupferscheiben in seiner eigenen Ladungssäule veränderte. So trug sie nun selbst elektrische Spannung. Bei der Rückbildung der Veränderung gab seine Säule sodann Strom ab – und konnte anschließend neu geladen werden. Ein beeindruckendes Prinzip, das in seinen Grundzügen auch in modernen Akkumulatoren Verwendung findet.

Übrigens: Wenn Sie noch genauer wissen wollen, wie ein Akku funktioniert, empfehlen wir Ihnen diesen spannenden Beitrag auf unserem Blog.

Der Aufstieg des Bleiakkumulators

Für den ersten Akku aus Blei ist der deutsche Mediziner und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden verantwortlich. 1854 gab Sinsteden zwei große Bleiplatten in ein Gefäß, das er mit verdünnter Schwefelsäure befüllte. Durch mehrfaches Auf- und Entladen mithilfe einer Spannungsquelle erhielt sein Bleiakku eine messbare Kapazität. 1859 kam dann der Franzose Gaston Planté auf die kluge Idee, die Bleiplatten spiralförmig anzuordnen, was die Effektivität des Stromspeichers noch einmal steigerte.

Allerdings dauerte es noch einige Jahre, bis der Bleiakku seine Blütezeit erlebte. Erst mit der Erfindung des Elektrischen Generators 1866 durch Werner von Siemens stieg die Nachfrage nach Speichermöglichkeiten des produzierten Stroms deutlich. Die Weiterentwicklung des Bleiakkus durch den Ingenieur Camille Alphonse Fauré 1880 ermöglichte, anhand einer Beschichtung mit Bleipulver und Schwefel, eine enorme Kapazität schon nach wenigen Ladezyklen – und machte den Bleiakku somit zum erfolgreichsten Akku seiner Zeit. Noch heute wird er zum Beispiel in Form von Autobatterien verwendet.

Zwei Männer – eine Idee

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts hatten zwei Männer diesseits und jenseits des Atlantiks eine Idee, die schließlich in einen langwierigen Patentstreit münden sollte: einen Akkumulator aus Nickel und Eisen zu bauen. Dem bekannten amerikanischen Erfinder Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner gelang damit eine Entwicklung, die etwa in Grubenlampen und Automobilen eingesetzt werden sollte. Sie verwendeten für ihren Nickel-Eisen-Akku (NiFe-Akku) allerdings zum ersten Mal keine Säure als Elektrolyt, sondern eine alkalische Lauge, etwa Kali. Damit begann das Zeitalter der alkalischen Batteriesysteme; auch heute lesen Sie auf Batterien und Akkus häufig das Wort „Alkaline“.

Jungner, der sich im Patentstreit seinem mächtigeren US-Konkurrenten geschlagen geben musste, ging aber noch einen Schritt weiter. Kurz nach dem Nickel-Eisen-Akku konstruierte er einen Energiespeicher aus Nickel und Cadmium (NiCd-Akku). Das Cadmium ermöglichte eine höhere Stromausbeute, rund 7 % mehr als der NiFe-Akku. Im Vergleich zum Bleiakku hatte der NiCd außerdem noch einen weiteren Vorteil: der alkalische Elektrolyt blieb bei Ladung und Entladung des Akkus unverändert.

1910 lief die industrielle Fertigung der NiCd-Akkus in Schweden an. Sie waren bis in die 90er Jahre hinein die meistverwendeten Stromspeicher im Endverbraucherbereich. Doch die Sache hatte einen Haken: Cadmium ist giftig. So wurde der NiCd-Akku schließlich weitestgehend vom Nickel-Metallhydrid-Akku abgelöst, der durch seine Wasserstoff absorbierenden Metalle nicht nur umweltverträglicher ist, sondern auch eine höhere Energiedichte aufweist. Der NiCd-Akku wird heute nur noch in wenigen Bereichen eingesetzt, zum Beispiel in Not- und Alarmsystemen oder bei hochspannungsbedürftigen Elektrowerkzeugen.

Der Siegeszug des Lithiums

Er ist heutzutage der Super-Akku: In unzähligen elektronischen Geräten ist der Lithium-Ionen-Akku verbaut, nicht nur in Handys, Laptops und Digicams, auch in zukunftsträchtigen Bereichen wie dem Elektro-Auto. Genaueres dazu lesen Sie auch hier auf unserem Blog.

Dabei ist der Li-Ion-Akku gar nicht so neu. Schon in den 70er Jahren forschte die Technische Universität München an Lithium-Batterien, und 1989 wurde das erste Patent für einen Li-Ion-Akku in Deutschland angemeldet. Durchschlagenden Erfolg hatte er aber erst, nachdem er 1991 von Sony auf den Markt gebracht wurde. Als Lithium-Cobaltdioxid-Akku versorgte er die Hi8-Videokamera „CCD TR 1“ mit der nötigen Energie.

Seither ist die Lithium-Ionen-Zelle, die aus einer negativ geladenen Grafit- und einer positiv geladenen Lithium-Metalloxyd-Elektrode besteht, aus vielen, vor allem mobilen Geräten nicht mehr wegzudenken. Und das ist kein Zufall: Nicht nur die Energiedichte von bis zu 190 kWh ist beeindruckend, der Li-Ion-Akku ist vor allem dafür bekannt, seine Speicherkapazität bei vorzeitigen Ladevorgängen nicht zu verlieren (der sogenannte „Memory-Effekt“), wie das etwa beim NiCd-Akku der Fall ist. Auch seine Lebensdauer von bis zu 15 Jahren ist beispiellos.

Und eines ist sicher: Die Forschung ist noch längst nicht am Ende. Mit dem Lithium-Polymer-Akku, bei dem statt einem flüssigen Elektrolyten einer auf Polymerbasis zum Einsatz kommt, hat die Li-Ion-Zelle bereits eine Weiterentwicklung erfahren. Wir sind gespannt, welche Technologien uns in Zukunft erwarten. Auf unserem Blog wagen wir schon einmal einen Ausblick!

BILDER

Bild 1: © iStock/BrianAJackson

Bild 2: © Dr. Manuel/Luigi_Galvani_Experiment/Creative Commons

Bild 3: © iStock/Gio_tto

Bild 4: © http://idw-online.de/de/news205894

Bild 5: © Shaddack/Photo-CarBattery/Creative Commons

Bild 6: © iStock/Coprid