Akkumulator

Ein Akku bzw. Akkumulator (lateinisch Sammler, Plural: Akkus oder Akkumulatoren) ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis, und damit eine Ausführungsform galvanischer Zellen. Akkumulatoren können miteinander kombiniert werden, und zwar entweder in Reihenschaltung zur Steigerung der nutzbaren elektrischen Spannung, oder aber parallel zur Steigerung der nutzbaren Stromstärke. Da Akkumulatoren aus verschiedenen praktischen Gründen für geringe Spannungen und durchaus große Stromstärken ausgelegt sind, wird häufiger die Reihenschaltung angewandt (siehe Autobatterie, sechs Zellen in Reihe).

12-V-„Autobatterie“ aus sechs Sekundärzellen

Inhaltsverzeichnis

Abgrenzungen

Batterie

NiMH-Akkumulator im Standardformat „AA

Da der Begriff der Batterie nicht zwangsläufig eine Zusammenschaltung der nicht wiederaufladbaren „Primärzellen“ meint, sondern im derzeitigen deutschen Sprachgebrauch als Oberbegriff fungiert, ist die sprachliche Abgrenzung der Begriffe Batterie und Akku unscharf – es wird also oft von „Batterien“ gesprochen, wenn eigentlich Akkumulatoren (Sekundärzellen) gemeint sind. Dies wird auch dadurch unterstützt, dass beide Zellentypen in untereinander austauschbaren Baugrößen auf dem Markt sind und es für sie in der englischen Sprache nur den einen Begriff battery gibt, im Fall von Akkuzellen zu rechargeable batteries (englisch für ‚wiederaufladbare Batterien‘) erweitert. Elektrische Verbraucher, die mit Primär–, aber auch Sekundärzellen betrieben werden können, werden deshalb oft einfach nur batteriebetrieben genannt, und nur dann, wenn im täglichen Umgang mit dem Gerät die Wiederaufladbarkeit der Stromquelle eine besondere Rolle spielen soll, auch akkubetrieben.

In der Schweiz wird der Begriff Akkumulator nur für große Zellen (Hobbygeräte wie Bohrmaschine, etc.) verwendet, die im Supermarkt erhältlichen werden ausschließlich als „wiederaufladbare Batterien“ bezeichnet. Im technisch-/wissenschaftlichen Rahmen wird durch die Dominanz des Englischen immer mehr von „Batterien“ (mit dem Zusatz wiederaufladbar oder sekundär) gesprochen.

Kondensator

Kondensatoren speichern ebenfalls elektrische Energie, doch nicht in chemischer Form, sondern in einem elektrischen Feld zwischen den Kondensatorplatten. Die Energiedichte ist dabei wesentlich geringer als die von Akkumulatoren (oder Batterien) vergleichbarer Größe. Da die Ladung in einem elektrischen Feld vorliegt und nicht an chemische Redoxreaktionen gebunden ist, kann sie dafür (bei geringem Serienwiderstand bzw. geringer Impedanz) sehr schnell vom Kondensator aufgenommen und anschließend wieder abgegeben werden. Ebenso bewirkt die Abwesenheit chemischer Prozesse, dass Kondensatoren im Vergleich zu den meisten Akkumulatoren sehr viel häufiger, einfache Kondensatoren sogar praktisch unbegrenzt oft geladen und wieder entladen werden können. Kondensatoren eignen sich somit besonders für Anwendungen, die wiederholt kurzzeitig hohe Ladungs-Änderungen erfordern. Die meisten Kondensatoren sind dabei polungs-ungerichtet, während bei Elektrolyt- und Doppelschichtkondensatoren – so wie bei Akkumulatoren – stets auf die korrekte Polung zu achten ist.

Geschichte

Die erste Vorform eines Akkumulators, der – im Gegensatz zu den Zellen von Alessandro Volta – nach der Entladung wieder aufladbar war, wurde schon 1803 von Johann Wilhelm Ritter gebaut, der wohl bekannteste Akkutyp dagegen, der Bleiakkumulator, erst in den Jahren 1850-1886 entwickelt.

Technologie

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 zurück gewandelt (siehe dazu: Galvanische Zelle). Die für eine elektrochemische Zelle typische elektrische Nennspannung, der Wirkungsgrad und die Energiedichte hängen von der Art der verwendeten Materialien ab.

Energiedichte und Wirkungsgrad

Spezifische Energiedichte (Wh/kg) verschiedener handelsüblicher Sekundärzellen als Funktion der Temperatur. Bei tiefen Temperaturen nimmt die Energiedichte mehr oder weniger stark ab.

Für viele Anwendungen, insbesondere für mobile Geräte wie Hörgeräte oder auch Fahrzeuge, ist die Energiedichte wichtig. Je höher diese ist, desto mehr Energie kann in einem Akku je Masseneinheit gespeichert werden. Bei identischer Temperatur weisen Akkumulatoren (Sekundärzellen) ca. ein Viertel bis Hälfte der Energiedichte gegenüber Primärzellen auf. Bei 30 °C liegen übliche Akkumulatoren unter bzw. um 200 Wh/kg, während Primärzellen Werte um 400 Wh/kg wie die Zink-Luft-Batterie erreichen. Eine Ausnahme stellen Prototypen wie der Lithium-Schwefel-Akkumulator dar.

Oft sind Akkus mit besonders hoher Energiedichte überproportional teuer oder weisen auch andere nachteilige Eigenschaften auf, insbesondere eine beschränkte Lebensdauer. So kosten Bleiakkus typischerweise 100 €/kWh; Li-Ion-Akkus hingegen typischerweise 1000 €/kWh. Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird Wärme freigesetzt, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Generell sinkt der Ladewirkungsgrad sowohl durch Schnellladung als auch durch schnelle Entladung, da die Verluste am Innenwiderstand zunehmen.

Akkumulatortyp Energiedichte (Wh/kg) Wirkungsgrad[1] Besonderheit
Bleiakkumulator 30 60–70 %
Lithium-Ionen-Akkumulator 120–210 90 % neuere Modelle schnellladefähig[2]
Lithium-Polymer-Akkumulator 140 90 % praktisch beliebige Bauform möglich
Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator 80-100 90 % schnellladefähig, hochstromfähig
Lithium-Titanat-Akkumulator 70–90 90–95 % schnellladefähig
Lithium-Schwefel-Akkumulator bis zu 350  ? Labor-Prototyp.[3]
Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator (Zebra-Batterie) 100–120 80–90 % 300 °C Betriebstemperatur
Natrium-Schwefel-Akkumulator 120-220 89 % 300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung
Nickel-Eisen-Akkumulator 40 65-70 % sehr unempfindlich gegen Über- und Tiefenentladung
Nickel-Cadmium-Akkumulator 40–60 70 % EU-weit verboten, aber mit vielen Ausnahmen. Erlaubt unter anderem im medizinischen Bereich, bei Elektrowerkzeugen und bei Elektroautos
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator 60–110 70 %
Nickel-Wasserstoff-Akkumulator 60 75%
Nickel-Zink-Akkumulator 50 65 %
Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator  ?  ? Experimenteller Prototyp ohne praktische Daten

Ein Vergleich zur Speicherung elektrischer Energie zeigt die Vor- und Nachteile von Akkus gegenüber anderen Speicherverfahren.

Ladungsmenge (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.

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; Selbstentladung 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, XCell unter dem Namen Innovate, 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.

Akkumulatortypen

Blei-Gel-Akkumulator

Die Akkumulatortypen[4] werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

Verwendung

Einsatzgebiete

Akkumulatoren werden oft verwendet, wenn ein elektrisches oder elektronisches Gerät ohne dauerhafte Verbindung zum festen Stromnetz oder zu einem Generator betrieben werden soll. Da sie teurer sind als nicht wiederaufladbare Primärbatterien, kommen sie vor allem in solchen Geräten zum Einsatz, die regelmäßig benutzt werden und einen nicht vernachlässigbaren Strombedarf haben, wie in Mobiltelefonen, Laptops oder Akkuwerkzeugen.

Auch in Kraftfahrzeugen dient ein Akku in Form der Starterbatterie dazu, Strom für Licht, Bordelektronik und vor allem den Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors zu liefern, bis der Motor läuft. Dann wird der Akku über die als Generator arbeitende Lichtmaschine wieder aufgeladen. Ähnliches gilt für Schiffe und Flugzeuge.

Akkus kommen auch zum Einsatz, um Schwankungen bei der regenerativen Erzeugung von Strom mit Wind und/oder Sonne auszugleichen, wenn sich eine abgelegene Verbrauchsstelle nicht oder nur zu unverhältnismäßig hohen Kosten an das Stromnetz anschließen lässt. Oft sind solche Verbrauchsstellen zusätzlich noch mit einem Notstromaggregat ausgerüstet, das einspringt, bevor die Ladung der Akkus z. B. nach mehrtägiger Windstille komplett zur Neige geht. Beispiele für solche Installationen sind nicht nur abgelegene Hütten, Mobilfunk-Basisstationen in wenig entwickelten Regionen oder Weltraum-Satelliten, sondern zum Beispiel auch viele Parkscheinautomaten, bei denen ein Anschluss an das Stromnetz teurer wäre als die Installation von Solarzelle und Akkumulator.

Ein Gebiet, das sich aktuell in der Entwicklung befindet, ist der elektrische Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schiffen oder gar kleinen Flugzeugen, deren Akkus zur Unterscheidung von bloßen Starterbatterien dann als Traktions-Akkumulatoren bezeichnet werden.

Konventionelle U-Boot-Antriebe bestehen aus Dieselmotoren (Fahren und Laden der Akkumulatoren bei nicht getauchter Fahrt) und mit Akkumulatoren betriebenen Elektromotoren (Tauchfahrten).

Akkumulatoren dienen in Systemen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) auch zur kurz- bis mittelfristigen Überbrückung von Ausfällen der stationären Energieversorgung. Wichtige Bereiche, die es mit einer Notstromversorgung abzusichern gilt, sind z. B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Werden hohe Leistungen benötigt oder sind längere Zeiträume zu überbrücken, wird noch ein Dieselgenerator zusätzlich installiert; die Akkus übernehmen dann die Versorgung nur so lange, wie der Dieselgenerator zum Anspringen und Erreichen der Nenndrehzahl benötigt. Falls die so zu überbrückende Zeit nur kurz ist, können dafür auch andere Systeme als Akkumulatoren eingesetzt werden, insbesondere auf der Basis von Schwungmassen oder gar Kondensatoren.

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. Dieses 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 Verbrennungsmotoren, 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 Strom-Spender werden Brennstoffzellen-Systeme im Zusammenhang mit Wasserstoff als Energieträger diskutiert. Brennstoffzellen erzeugen bei Wasserstoff-Zufuhr elektrische Energie. Bei Vergleichen mit Akkumulatoren muss auch das Gewicht des Treibstoff-Behälters (Wasserstoff-Flaschen) berücksichtigt werden. Zu vergleichen sind korrekterweise Gewicht und Raumbedarf des Brennstoffzellen-Systems einschließlich Treibstoff und Behälter mit dem (voll aufgeladenen) Akku.

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. Teil 1: Akkumulatoren mit wäßriger Elektrolytlösung. In: Chemie in unserer Zeit. 33, Nr. 5, 1999, S. 252–266 (doi:10.1002/ciuz.19990330503, PDF).
  • Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien. Teil 2: Akkumulatoren mit nichtwäßriger Elektrolytlösung. In: Chemie in unserer Zeit. 33, Nr. 6, 1999, S. 320–332 (doi:10.1002/ciuz.19990330603, PDF).
  • Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Printyourbook 2006, ISBN 3-939359-11-4.
  • DIN 40 729 Akkumulatoren – Galvanische Sekundärelemente – Grundbegriffe.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Alles über Akkus (Informationen über Akkus und Batterien und Ladetechnik/Lagegeräte), funkcom.ch, Matthias Frehner
  2. Der schnell ladende Super-Akku, pro-physik.de.
  3. Sion Introduces a Lithium Sulfur Rechargeable Battery, abgefragt am 8. Februar 2011.
  4. Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung (PDF-Datei, 1,06 MB), (Jun.-)Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer, ISEA (RWTH Aachen)

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Synonyme:

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  • Akkumulator — akumuliatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. accumulator vok. Akkumulator, m rus. аккумулятор, m pranc. accumulateur, m …   Fizikos terminų žodynas

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