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Inhalt:
 Allgemeines
 Grundsätzlicher Aufbau
 Fachbegriffe
 Akkumulatortypen
  Weitere Themen:
 Bleiakkus (Pb)
 Nickelcadmiumakkus (NiCd)
 Nickelmetallhydridakkus (NiMH)
 Lithiumionenakkus (LiIon)


Achtung: Diese Seite wurde, weil sie im Laufe der Jahre aufgrund zahlreicher Erweiterungen viel zu umfangreich wurde, in mehrere Unterseiten aufgespaltet. Detailinfos zu bestimmten Akkumulatortypen, die vormals hier vorhanden waren, finden Sie daher hier:
- Grundlagen und Fachbegriffe:  Hier auf dieser Seite
- Bleiakkumulatoren / Autobatterien:  Bleiakkus
- Nickel-Cadmium-Akkus:  NiCd-Akkus
- Nickel-Metallhydrid-Akkus:  NiMH-Akkus
- Lithium-Ionen-Akkus / Lithium-Polymer-Akkus:     LiIon-Akkus

Allgemeines

BestimmteAkkumulator Geräte müssen unabhängig vom Lichtnetz betreibbar sein. Bestes Beispiel sind Mobiltelefone, Notebooks, tragbare Musikgeräte, elektronische Spiele und Taschenlampen. Zudem kommt es immer mehr in Mode, daß Geräte, die bislang kabelgebunden betrieben wurden, unabhängig vom Lichtnetz einsetzbar sein sollen wie z.B. schnurlose Festnetztelefone, Rasierapparate und elektrische Werkzeuge. Dies bedeutet, daß man diese mit einer eigenen Energiequelle ausstatten muß. Batterien (so die umgangssprachliche Bezeichnung für Primärzellen, die per se nicht aufladbar sind) haben den Nachteil, daß man sie entsorgen muß, wenn sie leer sind, was nicht nur schlecht für die Umwelt sondern auch für den Geldbeutel ist. Daher werden vermehrt Akkumulatoren oder kurz Akkus eingesetzt, die man mit Hilfe von Ladegeräten am Stromnetz immer wieder aufladen kann.

Leider werden viele Akkus aus Unkenntnis heraus durch völlig falsche Handhabung und nicht selten auch durch unsinniges Sparen an der Ladetechnik schon nach wenigen Ladezyklen faktisch unbrauchbar, d.h. ihre Kapazität geht derart drastisch zurück, daß man sie in der Praxis nicht mehr sinnvoll nutzen kann, weil sie trotz Volladung nur noch ganz kurz Energie liefern. Die weit verbreiteten  Nickelmetallhydridakkus (NiMH-Akkus) wie auch die vormals gängigen  Nickelcadmiumakkus (=NiCd-Akkus) können beipielsweise bei sachgerechtem Gebrauch eine Lebensdauer von ca. 500-1000 Ladezyklen erreichen, im schlimmsten Fall aber durch Tiefentladung und/oder starkes Überladen schon nach einem einzigen Entladezyklus Schrott sein. Ähnliches gilt für die vor allem bei Kraftfahrzeugen unvermeidlichen  Bleiakkus ("Autobatterie"). Aus Anwendersicht deutlich robuster verhalten sich  Lithiumionenakkus, bei denen allerhand Schutzschaltungen eine Fehlbehandlung weitgehend verhindern. Nachfolgend wird daher nicht so sehr auf kleinste Details von Aufbau und Funktion der verschiedenen Akkutypen eingegangen als vielmehr auf den sachgerechten Umgang und speziell das richtige Laden.


Grundsätzlicher Aufbau von Akkus

Akkus bestehen immer aus zwei Elektroden, die in eine Elektrolytlösung eintauchen, wie dies in Bild 1 dargestellt ist. Die verschiedenen Akkutypen unterscheiden sich durch das verwendete Elektrodenmaterial und den Elektrolyten. Der Elektrolyt besteht nicht bei allen Akkutypen aus einer flüssigen Lösung, sondern es kann sich auch um ein Gel oder sogar um einen Feststoff handeln. Ein spezieller Akkutyp ist oft in den unterschiedlichsten Bauformen erhältlich. Beispielsweise kann man die bekannten NiMH-Akkus außer als weitverbreitete Rundzellen in unterschiedlichen Größen auch in einer Bauform kaufen, die sehr stark an die im Automobilbereich verwendeten Bleiakkus erinnert.

Akku laden   Akku entladen
Bild 1a: Akku laden Bild 1b: Akku entladen

Beim Laden läßt man einen Strom durch den Akku fließen (Bild 1a). Den Stromfluß bewirkt eine Stromquelle, die als G wie Generator dargestellt ist. Dadurch kommt eine chemische Reaktion in Gange, wodurch beide Elektroden sich chemisch verändern. Welche Reaktionen das genau sind, hängt vom  Akkutyp ab. Irgendwann ist nicht mehr genug Elektrodenmaterial für diese Reaktion vorhanden oder besser gesagt dem Elektrolyten zugänglich. Ab diesem Zeitpunkt wird der Akku nicht weiter geladen sondern es finden unerwünschte chemische Reaktionen statt wie z.B. die chemische Zersetzung des Elektrolyten. Weil es sich meistens um einen wässrigen Elektrolyten handelt, wird das darin enthaltene Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff durch Elektrolyse aufgespaltet. Ist der Akku hermetisch verschlossen, kann er bei sarker Überladung durch den entstehenden Überdruck explodieren. Zudem verringern in einem solchen Fall chemische Reaktionen irreversibel die nutzbare Kapazität des Akkus. Daher sollte man bei Erreichen der Volladung das Laden sofort beenden. Das Explodieren durch zu hohen Innendruck bei extremer Überladung verhindern die Hersteller zwar bei im Handel erhältlichen Akkus durch Einbau eines Überdruckventils bzw. einer Sollbruchstelle, jedoch ist bei Ansprechen dieses Ventils bzw. dieser Sollbruchstelle der Akku Schrott. Zudem tritt dann ein Teil des Elektrolyten aus, der meistens ätzend ist.

Ist der Akku geladen, kann man ihm solange Strom entnehmen (in Bild 1b ist exemplarisch eine Lampe als Stromverbraucher dargestellt), bis die im Vergleich zum Ladevorgang umgekehrte chemische Reaktion zum Erliegen gekommen ist. Im Idealfall kann man genausoviel Ladung (also Strom mal Zeit) entnehmen, wie man hineingesteckt hat. In der Praxis liegt der Wirkungsgrad meistens zwischen 70% und knapp unter 100%, d.h. man muß etwas mehr Ladung in den Akku hineinstecken, als man später entnehmen kann.


Fachbegriffe

Rund um Akkumulatoren und die damit zusammenhängende Ladetechnik gibt es einige wenige Fachbegriffe, die man kennen sollte. Der wohl am häufigsten gebrauchte ist die Akkukapazität. Darunter versteht man das physikalische Maß für die Strommenge, die man einem vollgeladenen Akku unter bestimmten Randbedingungen entnehmen kann. Deren Einheit Ah (Amperestunden) bzw. bei kleineren Akkus mAh (Milliamperestunden, d.h. 1/1000 Amperestunde) wird gebildet aus Stromstärke multipliziert mit der Zeitdauer. Die Einheit der Stromstärke wird in Ampere, Abkürzung "A", die der Zeitdauer in Stunden, Abkürzung "h", gemessen.

Beispiel: Kann man einem vollgeladenen Akku einen Strom von 1 A eine Stunde lang entnehmen, berechnet sich die Kapazität zu 1 A mal 1 h, was 1 Ah ergibt. Auf den gleichen Wert kommt man, wenn man dem Akku beispielsweise 4 Stunden lang einen Strom von 0,25 A entnehmen kann. 1 Ah entsprechen übrigens 1000 mAh.

Der Begriff Ladung besitzt die gleiche Einheit. Während die Akkukapazität eine Kenngröße für das Strom-Fassungsvermögen des Akkus ist, verwendet man den Begriff Ladung um zu beschreiben, wieviele Amperestunden man eingespeist bzw. entnommen hat oder wieviele Amperestunden noch in einem Akku gespeichert sind. Wenn man einem vollgeladenen 1-Ah-Akku eine Ladung von 200 mAh = 0,2 Ah entnimmt, besitzt dieser eine Restladung von 0,8 Ah. Den Unterschied zwischen Kapazität und Ladung kann man an einem Wasserglas verdeutlichen: Die Kapazität gibt an, wieviel Wasser ins Glas hineinpaßt, während der Begriff Ladung im Vergleich eine Wassermenge beschreibt - eine entnommene, eine hineingekippte oder einfach die noch im Glas vorhandene Wassermenge. Beispielsweise ist Ladungsentnahme gleichbedeutend mit Wasserentnahme; die Restladung entspricht der Wassermenge, die tatsächlich im Glas noch drin ist.

Eng verwandt mit der Kapazität eines Akkus ist die speicherbare Energie. Sie läßt sich berechnen, indem man die Kapazität des Akkus mit seiner Nennspannung multipliziert. Sie wird üblicherweise in Wattstunden (Wh) angegeben. Diese Angabe ist insbesondere dann wichtig, wenn man Akkus mit unterschiedlicher Nennspannung miteinander vergleicht. Denn wenn man eine Glühlampe mit einer Leistung von 12 W per Akku betreiben will, kann man eine Lampe und einen Akku mit einer Nennspannung von beispielsweise 1,2 V oder mit 12 V verwenden. Bei einer Kapazität von angenommenen 10 Ah leuchtet die Lampe bei 1,2 V nur 1 Stunde, weil der Strom durch die Lampe 10 A betragen muß, um besagte 12 W zu erreichen. Bei 12 V leuchtet sie jedoch satte 10 Stunden, da der Lampenstrom nur 1 A betragen muß, um die gleiche Leistung zu erreichen. Es ist ja auch klar: Aus Akkus mit 1,2 V Nennspannung und 10 Ah Kapazität kann man einen mit 12 V und 10 Ah bauen, indem man 10 Stück davon in Reihe schaltet. Daher ist es kein Wunder, daß er zehnmal soviel Energie speichern kann.

Selbstentladung ist ein weiterer Begriff, der im Zusammenhang mit Akkus gebräuchlich ist. Darunter versteht man die unerwünschte Eigenschaft, daß ein Akkumulator im Laufe der Zeit an Ladung verliert. Um beim Beispiel mit dem Wasserglas zu bleiben: Bei einem randvollen Glas Wasser verdampft täglich ein wenig Wasser, so daß es irgendwann einmal leer ist, ohne daß man auch nur einen Schluck getrunken hat. Elektronen können natürlich nicht verdunsten. Bei Akkus verschwinden daher keine Elektronen in die Umgebung, sondern es finden chemische Prozesse statt, die identisch sind mit den chemischen Prozessen beim Entladen oder anderweitig diese Elektronen aus dem Verkehr ziehen. Dadurch verliert der Akku an Ladung, ohne daß ein äußerer Strom fließt.

Als letzter Fachbegriff sei die Nennspannung erwähnt. Die Spannung eines Akkus ist nämlich mitnichten ganz konstant, sondern ist im vollgeladenen Zustand am höchsten und geht bei Entladung mehr oder weniger stark zurück, bevor sie bei Tiefentladung (siehe nächster Abschnitt) fast schlagartig auf 0 V zusammenbricht. Die Nennspannung ist dabei ein mehr oder minder künstlich gewählter Wert, mit dem man die mittlere zu erwartende Spannung beschreiben will. Ein Lithium-Ionen-Akku, wie er z.B. in Mobiltelefonen verwendet wird, besitzt beispielsweise eine Nennspannung von 3,7 V. Bei Volladung liegt die Klemmenspannung bei 4,2 V, während sie erst bei 3,0 V als leer gilt (darunter wird sie geschädigt).

Unter Tiefentladung versteht man das "Ausquetschen" eines Akkus, bis dieser überhaupt keinen Strom mehr abgibt. Dabei sinkt die Spannung bis weit unter die Nennspannung ab, im schlimmsten Fall bis auf 0 V. Dabei können im Akku chemische Reaktionen an den Elektroden ablaufen, die diese teilweise bis vollständig unbrauchbar machen - manchmal sofort, manchmal erst bei Lagerung im tiefentladenen Zustand. Resultat ist, daß der Akku massiv an Kapazität verliert und sich im Extremfall überhaupt nicht mehr laden läßt. Aus diesem Grund sollte man die meisten Akkutypen tunlichst nicht unter eine typabhängige Entladeschlußspannung entladen und möglichst rasch wieder aufladen.

Bei der Entladung von Akkupacks, die aus mehreren Zellen bestehen, kann ein weiterer noch schlimmerer Effekt als die Tiefentladung auftreten: Das Umpolen. Durch herstellbedingte Toleranzen besitzten die Akkus keine absolut identischen Kapazitäten. Wird ein Akkupack entladen, ist irgendwann die Akkuzelle mit der geringsten Kapazität leer, während seine geringfügig "größeren" Kollegen noch Strom liefern können, auch wenn es nur eine kurze Zeit ist. Diese Akkuzelle wird dann zunächst tiefentladen und anschließend zudem noch durch den Strom der anderen Zellen aufgeladen, aber fatalerweise mit falscher Polung (der Strom fließt ja im Vergleich zum regulären Ladevorgang umgekehrt). Dadurch wird sie irreversibel geschädigt. Selbst wenn es gelingt, sie sofort wieder richtig herum aufzuladen, hat sie fast immer einen beträchtlichen Teil ihrer Kapazität eingebüßt, so daß sie beim nächsten Entladevorgang noch schneller umgepolt wird.

Leider werden die Begriffe Akku und Batterie fröhlich durcheinandergeschmissen. So hatte es sich in Deutschland weitgehend durchgesetzt, die nicht aufladbaren Primärzellen als Batterie und die aufladbaren Sekundärzellen als Akkumulator zu bezeichnen. Dies ist strenggenommen nicht richtig, weil der aus dem Militärischen stammende Begriff Batterie eine Gruppe bzw. einen Verbund beschreibt, d.h. hier also eine Zusammenschaltung mehrerer Primärzellen zu einer Batterie von Primärzellen. Eine einzelne Zelle als Batterie zu bezeichnen, ist daher schlicht falsch aber weit verbreitet. Immerhin war dies wenigstens in Hinblick auf die Unterscheidung zwischen Primär- und Sekundärzelle(n) eindeutig. Seit kurzem wird der Begriff Batterie leider zunehmend auch für mehrzellige Akkus (was von der Systematik her noch nachvollziehbar wäre) als auch einzelne Akku-Zellen verwendet (was falscher nicht sein könnte) und somit für reichlich Konfusion sorgt. Ursächlich dafür dürfte sein, daß im Englischen Primärzellen wie auch Sekundärzellen unabhängig von der Zellenzahl als battery bezeichnet werden, wobei der Zusatz "rechargable" (= wiederaufladbar) in dem Begriff rechargable battery für die Sekundärzellen bei der Übersetzung ins Deutsche oft unterschlagen wird.


Akkumulatortypen

Als Elektrodenmaterial und als Elektrolyt für Akkumulatoren können prinzipiell sehr viele chemische Stoffe verwendet werden. In der Praxis ist man jedoch immer an einer möglichst hohen Zellenspannung und einem möglichst hohen Energieinhalt bezogen entweder auf das Volumen (volumetrische Energiedichte) oder das Gewicht (gravimetrische Energiedichte) oder oft auch beides zusammen interessiert, was die in der Praxis in Frage kommenden Materialien drastisch einschränkt. Ein möglichst geringes Volumen wird beispielsweise dort gefordert, wo die Platzverhältnisse beengt sind wie z.B. bei Mobiltelefonen, MP3-Playern und anderen kleinen mobilen Geräten. Ein möglichst geringes Gewicht wird hingegen z.B. bei Modellfluganwendungen gefordert. Darüberhinaus gibt es weitere Anforderungen wie Innenwiderstand, Verhalten bei hoher bzw. tiefer Temperatur, Eigensicherheit, Zyklenfestigkeit, Preis etc. Wie so oft im Leben gibt es keinen Akkumulatortyp, der alle Anforderungen gleichzeitig erfüllt, weshalb man Kompromisse eingehen muß. Dies ist der Grund, warum sich kein einzelner Akkutyp auf breiter Front durchgesetzt hat und es verschiedene Akkutechnologien gibt bzw. neue Technologien entwickelt werden. Weit verbreitet sind die nachfolgend genannten Akkutypen, zu denen Sie auf den entsprechenden Seiten weitere Infos erfahren können.
  •  Bleiakkus

    Bleiakkus sind vergleichsweise billig, wenn man die Kosten pro Wattstunde betrachtet. Sie haben eine relativ geringe Selbstentladung, sind aber schwer, voluminös und brauchen etliche Stunden, bis sie vollständig aufgeladen sind. Auf der Haben-Seite ist zu verbuchen, daß sie sehr einfach zu laden sind und sich vergleichsweise gutmütig bei Überladung verhalten.
     
  •  NiCd-Akkus

    Nickelcadmiumakkus besitzen einen sehr kleinen Innenwiderstand und können deshalb extrem hohe Stromstärken liefern. Sie sind deutlich leichter als Bleiakkus und können in sehr kurzer Zeit vollständig aufgeladen werden, sind aber auch deutlich teurer und besitzen eine etwas höhere Selbstentladung. Der NiCd-Akku ist der ideale Akkutyp, wenn hohe Ströme gefordert werden. Bis auf wenige Anwendungen (z.B. Werkzeuge, Fahrzeuge, medizinische Geräte) wurden sie jedoch trotz der Möglichkeit des Recyclings inzwischen durch eine EU-Verordnung verboten.
     
  •  NiMH-Akkus

    Nickelmetallhydridakkus sind als Ersatz für NiCd-Akkus zu sehen. NiMH-Standardzellen besitzen eine höhere Kapazität als diese aber auch eine nahezu doppelt so hohe Selbstentladung. Zudem ist ihr Innenwiderstand deutlich höher, was ihre Verwendungsmöglichkeit in Hochstromanwendungen einschränkt. Inzwischen sind auch NiMH-Akkus erhältlich, deren Selbstentladung bei leicht reduzierter Kapazität sogar weit unter der von NiCd-Akkus liegt.
     
  •  LiIon-Akkus

    Lithiumionenakkus in ihren unterschiedlichen Ausführungen (z.B. Lithium-Cobalt-, Lithium-Mangan-, Lithium-Polymer- oder Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus) besitzen bei gleichem Volumen eine wesentlich höhere Kapazität und sind deutlich leichter als die bisher genannten Akkutypen. Wegen der deutlich höheren Zellenspannung ist das Energiespeichervermögen ein gutes Stück höherer, als es die Kapazität vermuten läßt. LiIon-Akkus können zwar relativ zügig vollständig aufgeladen werden aber nicht so schnell wie NiCd- oder NiMH-Akkus. Problematisch ist, daß sie sich schon bei sehr geringer Überladung entzünden können, was allerhand Schutzelektroniken notwendig macht.
   

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Letztes Update dieser Seite: 27.11.2013 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)