Akkumulator
Ein Akkumulator (kurz Akku; auch Sekundärbatterie genannt) ist ein wiederaufladbares galvanisches Element, bestehend aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten, das elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speichert.
Ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement wird Sekundärelement oder Sekundärzelle genannt, im Gegensatz zur nicht (oder nur sehr begrenzt) wiederaufladbaren Primärzelle. Der Ladevorgang basiert auf der elektrolytischen Umkehrung der bei der Entladung ablaufenden chemischen Reaktionen durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Sekundärzellen lassen sich – wie Primärzellen und alle elektrische Energiequellen – zu Batterien zusammenschalten, entweder in Reihenschaltung (zur Steigerung der nutzbaren elektrischen Spannung) oder aber in Parallelschaltung (zur Steigerung der nutzbaren Kapazität beziehungsweise wegen der Eignung für höhere Stromstärken). Beide Schaltungsvarianten führen zur entsprechenden Erhöhung des Gesamt-Energiegehalts (Produkt aus Kapazität und Spannung, angegeben in Wattstunden (Wh)) der Anordnung.
Bei jedem Akkumulatortyp ist die Nennspannung der Akkumulatorzelle durch die verwendeten Materialien festgelegt; da jene für die meisten Anwendungen zu gering ist, wird häufig die Reihenschaltung angewandt, um die Spannung zu erhöhen (siehe Bild Starterbatterie). Die Kapazität und die mögliche Stromstärke hängen dagegen von der Baugröße ab. Deshalb ist eine Parallelschaltung mehrerer Zellen in der Regel nicht nötig; stattdessen verwendet man einen Akku mit entsprechend groß dimensionierten Zellen.
Begriffsklärung
Akkumulator
Das lateinische Wort accumulator bedeutet ‚Sammler‘ (cumulus ‚Haufen‘, accumulare ‚anhäufen‘). Bleiakkumulatoren wurden früher dementsprechend auch Bleisammler genannt.[1] Ursprünglich war mit Akkumulator ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement gemeint (Sekundärzelle). Heute bezeichnet der Begriff – zumindest in der Allgemeinsprache – auch wiederaufladbare Speicher, die aus zusammengeschalteten Sekundärzellen bestehen. Wenn es auf den Unterschied ankommt, sollte man genauere Bezeichnungen verwenden:
- einzelnes Speicherelement: Sekundärzelle, Sekundärelement, Akkumulatorzelle, Akkuzelle
- zusammengeschaltete Speicherelemente: z. B. Akkupack, Batterie aus Sekundärzellen
Batterie
Eine Batterie ist eine Kombination mehrerer gleichartiger technischer Teile. Hier im engeren Sinne handelt es sich um elektrisch und mechanisch miteinander verbundene Galvanische Zellen bzw. Elemente.[2] Es gibt Batterien aus Primärzellen (nicht wiederaufladbar) und solche aus Sekundärzellen (wiederaufladbar). Ursprünglich waren mit Batterien nur solche aus Primärzellen gemeint.
In der Umgangssprache dient Batterie als Oberbegriff für einzelne oder zusammengeschaltete Primärzellen und Sekundärzellen.
Beide Zellentypen sind in gleichen Baugrößen auf dem Markt, und beide werden im Englischen battery genannt. Akkuzellen heißen im Englischen rechargeable batteries (dt. „wiederaufladbare Batterien“) oder accumulators.
Elektrische Verbraucher, die mit Primär- oder Sekundärzellen betrieben werden, nennt man oft einfach batteriebetrieben (Batteriebetrieb). Wenn im täglichen Umgang mit dem Gerät die Wiederaufladbarkeit eine Rolle spielt, spricht man vom Akkubetrieb.
Kondensator
Kondensatoren und auch Elektrolytkondensatoren sind ebenfalls Speicher für elektrische Energie, allerdings speichern sie diese nicht in chemischer Form, sondern als elektrisches Feld zwischen ihren Platten. Sie und auch die chemisch ähnlicheren Doppelschichtkondensatoren sind keine Akkumulatoren und werden auch nicht so bezeichnet.
Geschichte
Die erste Vorform eines Akkumulators, der – im Gegensatz zu den Zellen von Alessandro Volta – nach der Entladung wiederaufladbar war, wurde 1803 von Johann Wilhelm Ritter gebaut. Den bekanntesten Akkutyp, den Bleiakkumulator, konstruierte 1854 der Mediziner und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden. 1859 entwickelte Gaston Planté Sinstedens Erfindung durch eine spiralförmige Anordnung der Bleiplatten erheblich weiter. Um die Wende zum 20. Jahrhundert speisten von Holz umfasste Bleiakkumulatoren in Glasgefäßen Elektroantriebe für Automobile. Die Akkutechnik nahm in der Zeit eine rasante Entwicklung. Folgender vom Telegraphentechnischen Reichsamt 1924 veröffentlichter Text zeigt das am Beispiel der damals etablierten Telegrafie und noch jungen Telefonie. Akkumulatoren werden hier „Sammler“ genannt, und „Batterien“ waren Ansammlungen galvanischer Elemente:
„[1899] waren für den Telegraphen wie für den Fernsprecher nasse und trockene Elemente die hauptsächlichen Stromquellen. Für den Telegraphen wurden Batterien vorwiegend aus Zink-Kupfer-Elementen verwendet; im Fernsprechdienst waren daneben hauptsächlich nasse Zink-Kohle- und Trockenelemente in Benutzung. Als leistungsfähigere Stromquellen wurden nach 1900 Sammler, die vereinzelt schon seit dem Jahre 1895 zum Betriebe der Mikrophone bei den größten Fernsprechämtern verwendet worden waren, in größerem Umfang eingeführt. […] Zur Ladung der 12 zelligen Batterie stellte man beim Amt Dynamomaschinen auf, die mit einer eigenen Kraftanlage (meist Leicht- oder Schwerölmotoren) ausgerüstet waren oder aus dem örtlichen Starkstromnetz angetrieben wurden und den erforderlichen Gleichstrom in passender Stromstärke und Spannung lieferten. Es wurde anfangs allgemein im wechselnden Lade- und Entladebetrieb gearbeitet, d. h. abwechselnd speiste die eine Batterie das Amt, während die andere geladen wurde. Später (1921) ging man dazu über, den Strom für das Amt unmittelbar Dynamomaschinen zu entnehmen, deren elektrische Eigenschaften diesem Zwecke besonders angepaßt werden mußten, und ihnen eine ‚Puffer‘-Batterie parallel zu schalten.“[3]
Technik
Funktionsweise
In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt (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.
Akkumulatortypen
Die Akkumulatortypen[4] werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:
- Li-Ion – Lithium-Ionen-Akkumulator (3,2–3,7 V Nennspannung/Zelle), Oberbegriff für verschiedene Lithium-Ionen-Akkumulatortypen:
- LiCoO2 - Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, (3,6 V /Zelle), erste verfügbare Technologie
- LiPo – Lithium-Polymer-Akkumulator (3,7 V Nennspannung/Zelle), (Bauform mit Polymer als Elektrolyt)
- Li-Mn – Lithium-Mangan-Akkumulator (3,6 V Nennspannung/Zelle)
- Li(NiCoMn)O2 – Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Akkumulator (3,6–3,7 V Nennspannung/Zelle)
- LiFePO4 – Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (3,3 V Nennspannung/Zelle)
- LiFeYPO4 Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulator (Yttrium-Dotierung zur Verbesserung der Eigenschaften[5])
- LiTi – Lithiumtitanat-Akkumulator (2,4 V Nennspannung/Zelle)
- LMP – Lithium-Metall-Polymer-Akkumulator (Akkumulator-Technologie von DBM-technology, Berlin)
- Lithium-Akkumulatoren mit metallischem Lithium, zählen nicht zu der größeren und bekannteren Gruppe der Ionen-Akkumulatoren:
- Lithium-Luft-Akkumulator (seit den 1970ern in Entwicklung)
- Lithium-Schwefel-Akkumulator (seit den 1960ern in Entwicklung)
- Na/NiCl – Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur-Batterie (Markenbezeichnung: Zebra-Batterie ) (2,58 V Nennspannung/Zelle)
- NaS – Natrium-Schwefel-Akkumulator, Hochtemperatur-Akku mit 2 V Zellspannung
- Na-Ion – Natrium-Ionen-Akkumulator, (1,6–1,7 V Nennspannung/Zelle)
- NiCd – Nickel-Cadmium-Akkumulator (1,2 V Nennspannung/Zelle)
- NiFe – Nickel-Eisen-Akkumulator (1,2–1,9 V Nennspannung/Zelle)
- NiH2 – Nickel-Wasserstoff-Akkumulator (1,5 V Nennspannung/Zelle)
- NiMH – Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (1,2 V Nennspannung/Zelle)
- NiZn – Nickel-Zink-Akkumulator (1,65 V Nennspannung/Zelle)
- Pb – Bleiakkumulator (2 V Nennspannung/Zelle)
- PTMA – modifiziertes PTMA, genauer: 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinoxy-4-yl-methacrylat, ein umweltverträgliches organisches Polymer
- RAM – Rechargeable Alkaline Manganese (1,5 V Nennspannung/Zelle)
- SnC/Li2S – Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator
- Silber-Zink-Akkumulator (1,5 V Nennspannung/Zelle)
- Vanadium-Redox-Akkumulator (1,41 V Nennspannung/Zelle bei 25 °C)
- Zink-Brom-Akkumulator (1,76 V Nennspannung/Zelle)
- Zink-Luft Akkumulator (in Entwicklung[6][7])
- Silizium-Luft-Akkumulator (in Entwicklung[8][9][10])
Energiedichte und Wirkungsgrad
Für viele Anwendungen, insbesondere für mobile Geräte im Bereich der Unterhaltungselektronik, Hörgeräte oder auch Fahrzeuge, ist die Energiedichte von Bedeutung. Je höher diese ist, desto mehr Energie kann in einem Akku je Volumen- bzw. Masseneinheit gespeichert werden. Die auf die Masse bezogene Energiedichte wird oft auch als spezifische Energie bezeichnet. Bezogen auf marktübliche Typen, haben Akkumulatoren (Sekundärzellen) meist eine (oftmals deutlich) geringere Energiedichte als Primärzellen.
Oft sind Akkus mit besonders hoher Energiedichte überproportional teuer oder haben andere Nachteile, insbesondere eine beschränkte Lebensdauer. So kosten Bleiakkumulatoren typischerweise 100 €/kWh; Li-Ion-Akkus hingegen derzeit (2012) typischerweise 350 €/kWh (200 €/kWh 2013), Tendenz fallend.[11][12] Ursachen sind die anlaufende Massenproduktion, welche die Stückkosten durch bessere Technik und Skaleneffekte deutlich verringern. Allerdings werden die sinkenden Produktionskosten nur verzögert an die Kunden weitergegeben, da auf diesem Markt, speziell in Deutschland, durch die wenigen Angebote nur ein geringer Preisdruck besteht.
Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird durch den inneren Widerstand der Zellen 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 mit sehr hohen Strömen als auch durch schnelle Entladung (Peukert-Effekt), da die Verluste am Innenwiderstand zunehmen. Das optimale Nutzungsfenster ist dabei je nach Zellchemie stark unterschiedlich.
| Akkumulatortyp | Energiedichte (Wh/kg) | Ladewirkungsgrad[13] (Stand 2007) | Besonderheit |
|---|---|---|---|
| Bleiakkumulator | 30 | 60–70 % | |
| Lithium-Ionen-Akkumulator auf der Basis von LiCoO2 | 120–210 | 90 % | neuere Modelle schnellladefähig[14] |
| Lithium-Polymer-Akkumulator | 140–260[15] | 90 % | praktisch beliebige Bauform möglich |
| Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Akkumulator | 150–220 | 95 % | hohe Kapazität |
| Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator | 80–140 | 94 % | schnellladefähig, hochstromfähig, eigensicher |
| Lithiumtitanat-Akkumulator | 70–90 | 90–95 % | schnellladefähig |
| Lithium-Schwefel-Akkumulator | 350 | 90 %[16] | Labor-Prototyp[17] |
| Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator (Zebra-Batterie) | 100–120 | 80–90 % | 300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung, aber Heizverluste 10–20 % |
| Natrium-Schwefel-Akkumulator | 120–220 | 70–85 % | 300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung, aber Heizverluste 15–30 % |
| Nickel-Eisen-Akkumulator | 40 | 65–70 % | sehr unempfindlich gegen Über- und Tiefenentladung |
| Nickel-Cadmium-Akkumulator | 40–60 | 70 % | EU-weit verboten, mit Ausnahme von Notsystemen und dem medizinischen Bereich |
| Nickel-Metallhydrid-Akkumulator | 60–110 | 70 % | |
| Nickel-Wasserstoff-Akkumulator | 60 | 75 % | |
| Nickel-Zink-Akkumulator | 50 | 65 % | |
| Silber-Zink-Akkumulator | 65–210 | 83 % | teuer, kurzlebig, empfindlich, sehr hohe Kapazität |
| Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator | 1100 | ? | Experimenteller Prototyp[18] |
| Aluminium-Ionen-Akkumulator | 1000[19] | ? | schnellladefähig, experimentelle Prototypen |
Ein Vergleich zur Speicherung elektrischer Energie zeigt die Vor- und Nachteile von Akkus gegenüber anderen Speicherverfahren.
Ladungsmenge (Kapazität)
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 als von der Spannung abhängige Ladungsmenge definiert ist und in Farad (F) angegeben wird. Die angegebene Nennkapazität beim Akku bezieht sich immer auf einen bestimmten Entladestrom und nimmt – je nach Akkutyp – unterschiedlich stark mit höheren Entladeströmen ab.
Bei Primärzellen und Akkumulatoren ist die Angabe der Nennkapazität in Amperestunden (Ah), bei kleineren Einheiten auch Milliamperestunden üblich. Der Vorsatz für Maßeinheiten Milli steht für ein Tausendstel. Dabei sagt die Angabe, ein Akkumulator liefert zum Beispiel 1000 Milliamperestunden, also eine Amperestunde nicht viel über die Leistungsfähigkeit des Akkus aus, wenn die Spannung nicht bekannt ist. Die Spannung ist stark von der Belastung der Zelle abhängig, da sie einen inneren Widerstand hat. Ihre maximale Leistung gibt sie theoretisch bei halber Nennspannung ab. Dann sind innerer und Lastwiderstand gleich groß und der Entladewirkungsgrad erreicht 50 Prozent. Da sich die Zelle dabei stark erwärmt, sind derart hohe Belastungen nur kurzzeitig möglich. Ein Beispiel hierfür sind Starterbatterien von Autos, die beim Anlassen für ein paar Sekunden einige hundert Ampere abgeben. Einige Zellentypen können nicht so hoch belastet werden und haben Schutzschaltungen, die das verhindern.
Angaben in Wh oder kWh, (oft bei Antriebsbatterien zu finden) beziehen sich immer auf ein bestimmtes Lastprofil. Um die Leistungsfähigkeit von Akkus zu vergleichen muss man also wissen, welches Lastprofil bei der Messung der Kapazität verwendet wurde.
Ladezustand
Ein wichtiger Kennwert von mit Sekundärbatterien betriebenen Geräten ist der Ladezustand von Akkumulatoren (englisch State of Charge, SoC bzw. SOC). Er wird üblicherweise in Prozentwerten angegeben, wobei 100 % einen vollständig geladenen Akkumulator repräsentieren. 100 % minus den Wert des Ladezustands ergibt den Entladungsgrad (DoD bzw. DOD).[20]
Zur Bestimmung sind verschiedene Methoden gebräuchlich: chemische, spannungsabhängige, Strom-integrative (Ladungsbilanzierung), druckabhängige sowie die Messung der Akkumulator-Impedanz.[21]
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 Akkumulators 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 %
- Bleiakkumulator: 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 %, neuere Typen als NiMH mit geringer Selbstentladung mit nur etwa 15 % im Jahr
- NiCd: Ladezustand 40 %; Selbstentladung monatlich um 10 %
- Alkali-Mangan RAM-Zellen: Ladezustand 100 %; Zellspannung sollte nicht unter 1,2 V sinken
Sanyo hat 2005 (Markteinführung in Europa August 2006) einen modifizierten NiMH-Akku namens Eneloop auf den 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.
Alle Angaben zur Selbstentladung beziehen sich auf eine Raumtemperatur von ca. 20 °C.
Lebensdauer und Zyklenfestigkeit
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Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren erreichen nach Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei jeweiliger Entladetiefe von 80 %, nach 7000 Zyklen noch 70 %.[22] Als weltgrößter Hersteller von Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren gilt BYD[23], der durch präzise Fertigung eine große Auswahl an Zellen für zyklenfeste Anwendungen, wie zum Beispiel im Einsatz bei stationären Speichersystemen entwickelt hat. Nach 6000 Zyklen Laufleistung mit 100 % Be- und Entladung bei einer Rate von 1 C haben diese noch eine Restkapazität von mindestens 80 %. Das entspricht bei einem Vollzyklus pro Tag einer Lebensdauer von mind. 20 Jahren.[24]
Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator Sony Fortelion hat nach 10.000 Zyklen mit 100 % Entladungsgrad noch eine Restkapazität von 71 %. Dieser Akkumulator ist seit 2009 auf dem Markt.[25]
In Solarbatterien eingesetzte Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen teilweise eine sehr hohe Zyklenfestigkeit von mehr als 10.000 Lade- und Entladezyklen und eine lange Lebensdauer von bis zu 20 Jahren auf.[26][27]
Varta Storage gibt auf seine Produktfamilie Engion Family und engion home eine Garantie von 14.000 Vollzyklen und einer Lebensdauer von 10 Jahren.[28][29]
Die Lebensdauer von stationären Batterien bei konstanter Raumtemperatur von 10–25 °C kann bei Antriebsbatterien nur durch Thermomanagement erreicht werden. Ungleiche Temperaturschwankungen der Zellen innerhalb der Antriebsbatterie führen zu Kapazitätsunterschieden und unterschiedlicher Alterung der Zellen. Die verfügbare Kapazität eines Lithium-Akkus sinkt mit fallender Betriebstemperatur, besonders unterhalb der 25 °C Betriebstemperatur, bei der die Nennkapazität bestimmt wird, und sollte den Gefrierpunkt des Elektrolyten wegen Eisbildung nicht unterschreiten. Andererseits altert eine Zelle umso schneller, je höher die Betriebstemperatur ist, mit stark steigender Tendenz oberhalb von ca. 40 °C.[30] Ziel des Thermomanagements ist, dass zur selben Zeit alle Zellen im Volumen die gleiche Temperatur haben, die eine möglichst hohe Leistung bei geringer Alterung bereitstellt.
Weiterhin beeinflusst das BMS wesentlich die Kapazität der in Reihe geschalteten Zellen, die beim passiven Balancieren durch die schwächste Zelle bestimmt wird. In der Folge wird sowohl die Gesamtkapazität verringert als auch die schwächste Zelle am meisten beansprucht und altert am schnellsten. Demgegenüber kann das aufwändige aktive Balancieren einen Ladungsausgleich von den Zellen hoher Kapazität zu denen geringer Kapazität durchführen und die Lebensdauer und die Kapazität aller Zellen auch einer nicht mehr homogenen älteren Batterie verfügbar halten. Die Hersteller gewähren entsprechend ihrer Technik stark unterschiedliche Garantien auf die Laufleistung von Antriebsbatterien.
Die Organisation Plug in America führte unter Fahrern des Tesla Roadster eine Umfrage durch bezüglich der Lebensdauer der verbauten Akkus. Dabei ergab sich, dass nach 100.000 Meilen = 160.000 km die Akkus noch eine Restkapazität von 80 bis 85 Prozent angegeben wurde (Keine Angaben über die Messung in der Quelle). Dies war unabhängig davon, in welcher Klimazone das Fahrzeug bewegt wurde.[31][32] Der Tesla Roadster wurde zwischen 2008 und 2012 gebaut und verkauft. Für seine 85-kWh-Akkus im Tesla Model S gibt Tesla 8 Jahre Garantie mit unbegrenzter Laufleistung.[33]
Das meistverkaufte Elektroauto ist der Nissan Leaf, welcher seit 2010 produziert wird. Nissan gab 2015 an, dass bis dahin nur 0,01 Prozent der Akkus wegen Defekt oder Problemen ausgetauscht werden mussten und das auch nur aufgrund extern zugefügter Schäden. Dabei gibt es vereinzelt Fahrzeuge, die bereits mehr als 200.000 km gefahren sind. Auch diese hätten keine Probleme mit dem Akku.[34]
Ein auf 60 Grad Betriebstemperatur erwärmter Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator soll nach Berechnungen von Wissenschaftlern bei einer täglichen Nutzung von 50 Kilometern 3,2 Millionen Kilometer halten.[35]
Ladezeiten
Die Ladezeit eines Akkus bzw. einer Batterie aus Akkumulatorzellen ist abhängig von verschiedenen Faktoren. Dazu zählen Parameter wie der Innenwiderstand, der direkten Einfluss auf den Ladestrom hat und wiederum von der Temperatur beeinflusst wird. Kürzere Ladezeiten bedeuten höhere Strombelastung und höheren Verschleiß, stehen also im Zielkonflikt zur Lebensdauer des Akkumulators. Je nach Anwendung, Zellchemie und technischer Umsetzung (Klimatisierung, Überwachung) sind daher die praktisch erreichbaren Ladezeiten sehr unterschiedlich.
Der vom Hersteller empfohlene /zulässige Ladestrom wird dabei über den C-Faktor beschrieben und ist u. a. auch abhängig vom Ladezustand. Die Ladespannung ist durch die Zellchemie und den Batterieaufbau bestimmt. Aus diesen beiden Parametern ergibt sich eine obere Grenze der maximalen Ladeleistung, die zugunsten einer höheren Lebensdauer oft noch reduziert wird. Die praktisch erreichbaren Ladezeiten sind daher meist höher als die technisch möglichen Ladezeiten. Als äußere Faktoren sind neben der Temperatur die zur Verfügung stehende Spannungs- und Stromquelle und das angewendete Ladeverfahren zu nennen. Die Akkuzellhersteller geben die einzuhaltenden Parameter und Nutzungsfenster in ihren Datenblättern vor, die von den Herstellern der Endprodukte beachtet werden müssen.
Für klassische Akkus, wie Blei, NiCd und NiMH sind Laderaten bei Normalladung von 0,1 C bis 0,2 C üblich. Das entspricht Ladezeiten von 5–10 Stunden. Bei modernen Lithiumakkus ist in den Datenblättern der Hersteller meist mit 0,5 C die Normalladung spezifiziert, was 2 Stunden Ladedauer entspricht. Zusätzlich wird ein maximal erlaubter, höherer Ladestrom angegeben, beispielsweise 3 C, was eine Aufladung in 20 Minuten ermöglichen würde.[36] Praktisch sind Ladezeiten von 1,5 bis 4 Stunden im Mobilgerätebereich üblich.[37][38] Elektroautos wie Tesla Model S, Renault Zoé, BMW i3, Nissan Leaf usw. können ihre Akkus an derzeitigen (2017) Schnellladestationen innerhalb von etwa 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen.[39][40][41][42][43] Allerdings können heutige Lithium-Akkus oft auch deutlich schneller geladen werden. Im Modellbaubereich sind Ladezeiten von 10 bis 15 Minuten bei Schnellladung üblich. Die Obergrenze der Ladeleistung wird gerade bei größeren Batterien von Elektrofahrzeugen in der Praxis nicht mehr von den Akkumulatorzellen, sondern vom Aufbau der Traktionsbatterie (Klimatisierung) und von der verfügbaren Ladetechnik bestimmt. So können neue Schnellladesysteme Elektroautos mit entsprechend konstruierten Traktionsbatterien innerhalb von etwa 15 min zu 80 Prozent aufladen.[44][45][46][47]
Ein auf 60 Grad Betriebstemperatur erwärmter Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator soll nach Angaben von Wissenschaftlern innerhalb von 10 Minuten Strom für eine Reichweite eines PKWs von 290 Kilometern laden können.[48]
Akkuforschung
Forscher der Justus-Liebig-Universität Gießen haben zusammen mit Wissenschaftlern der BASF SE eine neue reversibel arbeitende Zelle auf Basis von Natrium und Sauerstoff entwickelt. Als Reaktionsprodukt tritt hierbei Natriumsuperoxid auf.[49]
Wissenschaftler der Universität Oslo aus Norwegen haben einen Akkumulator entwickelt, der unterhalb einer Sekunde wieder aufgeladen werden kann. Nach Meinung der Wissenschaftler wäre dieser Akkumulator interessant u. a. für Stadtbusse, die so an jeder Haltestelle geladen werden könnten und somit nur eine relativ kleine Batterie benötigen würden. Ein Nachteil ist, so die Forscher, dass je größer die Batterie ist, je größer muss auch der Ladestrom sein. Somit kann der Akku nicht sehr groß sein. Nach Angaben der Forscher könnte der neuartige Akku auch als Puffer in Sportwagen eingesetzt werden, um kurzfristig Leistung bereitzustellen. Vorerst denken die Forscher aber an Einsatzbereiche in Klein- und Kleinstgeräten.[50][51]
In Laboratorien des Unternehmens StoreDot aus Israel können Berichten zufolge erste Labormuster von nicht näher spezifizierten Akkus in Mobiltelefonen (Akkukapazität im Bereich um 1 Ah) mit Stand April 2014 in 30 Sekunden geladen werden.[52][53] Das gleiche Unternehmen entwickelte auch einen Akkumulator für E-Autos, der in 5 Minuten voll aufgeladen ist und dann 160 Kilometer Reichweite bietet. Er besitzt anstatt einer üblichen Graphitelektrode eine Elektrode aus Germaniumnanopartikeln, langfristig soll dafür aber Silizium verwendet werden. Der Akku soll schon industriell gefertigt werden können, aber es gibt noch keine geeigneten Ladesäulen.[54]
Forscher aus Singapur haben 2014 einen Akku entwickelt, der nach 2 Minuten zu 70 Prozent aufgeladen werden kann. Die Akkus setzen auf die Lithium-Ionen-Technik. Jedoch besteht die Anode, der negative Pol in der Batterie, nicht mehr aus Graphit, sondern einem Titandioxid-Gel. Das Gel beschleunigt die chemische Reaktion deutlich und sorgt so für ein schnelleres Aufladen. Insbesondere sollen diese Akkus in Elektroautos verwendet werden.[55][56][57] Bereits im Jahr 2012 haben Forscher der Ludwig-Maximilian-Universität in München das Grundprinzip entdeckt.[58]
Festkörperakkumulatoren sind eine spezielle Bauform, bei welchem beide Elektroden und auch der Elektrolyt aus verschiedenen, festen Materialien bestehen. Da keine Flüssigkeiten vorhanden sind, gibt es kein Problem mit Undichtigkeiten, sollte der Akkumulator beschädigt werden.
An der Universität Linköping ist es Forschern gelungen, einen Akkumulator aus organischen Materialien herzustellen. Diese basieren auf Redox-Flow-Batterien und enthalten als Elektroden den Kunststoff PEDOT, der dotiert wurde, und als Elektrolyt eine Lösung aus Wasser und Chinonen. Der Akku ist vollständig recycelbar und sehr billig, allerdings hat er immer noch eine geringere Energiedichte als vergleichbare Redox-Flow-Batterien mit dem teuren Metall Vanadium.[59]
Wissenschaftler der Stanford-Universität in Kalifornien haben einen neuartigen Akku mit sehr günstigen Eigenschaften entwickelt. Bei dem Aluminium-Ionen-Akkumulator besteht die Anode aus Aluminium und die Kathode aus Grafit. Der Akku schafft mehr als 7500 Ladezyklen ohne Qualitätseinbußen. Die zur Fertigung des Akkus notwendigen Materialien sind sehr kostengünstig und zudem sehr leicht. Der Akku kann nicht in Brand geraten, selbst wenn man den Akku durchbohrt. Der Ladevorgang beträgt eine Minute. Zudem ist der Akku biegsam und kann somit in eine gewünschte Form gebogen und gefaltet werden. Der Akku ist noch nicht marktreif, da die Spannung und die Energiedichte noch zu gering sind.[60][61]
Nach Schätzungen werden bis 2025 bzw. spätestens 2030 die Lithium-Schwefel wie auch die Lithium-Luft-Akkutechnologie im Automobilbereich einsetzbar sein. Beide haben eine höhere Energiedichte als die im Jahr 2015 eingesetzte Lithium-Ion-Technologie und versprechen höhere Reichweiten in der Elektromobilität.[62][63]
In Deutschland unterstützt das BMBF seit 2013 die Forschung an einem Magnesium-Luft-Akkumulator, der ohne Lithium auskommt.[64] Solche Akkumulatoren haben eine hohe Kapazität und der Rohstoff ist in ausreichenden Mengen vorhanden, doch ist die Lebensdauer bislang gering.[65]
Ein Team, angeführt von Yan Yu, an der Chinesische Universität für Wissenschaft und Technik in Hefei haben einen Akku entwickelt, der eine hohe Kapazität und Spannung aufweist, auch wenn er 2.000 Mal ge- und entladen wurde (96 % Kapazität blieben erhalten). Er basiert auf Tri-Natrium-Di-Vanadium-Triphosphat (Na3V2(PO4)3) im Innern eines Graphenemischmaterials.[66] Wissenschaftler am japanischen Nagoya Institute of Technology untersuchten ebenfalls Natrium als Akkumaterial und identifizierten die Natrium-Vanadium-Verbindung Na2V3O7 als geeignetes Kathodenmaterial.[67] Wegen niedriger Energiedichte wird dabei zunächst an einen stationären Einsatz gedacht.
Preisentwicklung
Bleiakkumulatoren kosten typischerweise 355 €/kWh (Stand 2014).[69] Die Preise für Li-Ion-Akkus sind in den letzten Jahren deutlich gefallen: 2007 lagen die Kosten noch bei mehr als 1000 US-Dollar/kWh, 2014 noch bei 300 Dollar/kWh, 2019 bei 156 Dollar/kWh[70], Tendenz weiter fallend.[71] So gab z. B. die Chefin von General Motors, Mary Barra 2016 bekannt, dass die Akkukosten des Chevrolet Bolt bei ca. 145 Dollar/kWh liegen würden. Für 2022 rechnete sie mit Akkukosten von 100 Dollar/kWh.[72][73] Eric Feunteun, Leiter der Sparte Elektromobile bei Renault, teilte im Juli 2017 mit, dass Renault pro kWh Akku 80 Dollar bezahlt.[74][75] Auch die Marktpreise für Li-Ion-Akkus einschließlich Gewinnmarge sollen bis 2030 unter 100 $/kWh sinken.[76]
Für 2015 gab das Energieministerium der Vereinigten Staaten die Kosten von Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Elektroautos mit ca. 250 $/kWh an; angestrebt wird ein Wert von 125 $/kWh im Jahr 2022.[68] Ursachen für den Preisrückgang sind die zunehmende Massenproduktion, welche die Stückkosten durch bessere Technologien und Skaleneffekte verringert hat.
Nach einer Studie von McKinsey sind die Akkupreise zwischen 2010 und 2016 um 80 Prozent gefallen.[77]
An der Pennsylvania State University wurde ein LEP-Akku entwickelt, der ohne das seltene Kobalt auskommt und daher günstiger zu produzieren sein sollte.[78]
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. Läuft der Motor, wird der Akkumulator über die als Generator arbeitende Lichtmaschine wieder aufgeladen. Ähnliches gilt für Schiffe und Flugzeuge.
Beim elektrischen Antrieb von Elektrofahrzeugen werden deren Akkus zur Unterscheidung von bloßen Starterbatterien dann als Traktions-Akkumulatoren bezeichnet und zu Traktionsbatterien (häufig als Antriebsbatterie bezeichnet) zusammengeschaltet. Genutzt werden Antriebs- bzw. Traktionsbatterien in Elektroautos, Elektromotorrädern, Elektromotorrollern, Batteriebussen und Elektrolastkraftwagen. Immer beliebter werden Pedelecs, ein spezielles Elektrofahrrad. In der Entwicklung befinden sich zudem Elektroflugzeuge für Kurzstreckenflüge.[79]
Akkus kommen in Form von Batterie-Speicherkraftwerken oder Solarbatterien auch zum Einsatz, um Schwankungen bei der regenerativen Erzeugung von Strom mit Wind und/oder Sonne auszugleichen. Batterie-Speicherkraftwerke werden u. a. eingesetzt zur Abdeckung von Spitzenlasten im Stromnetz und auch zur Netzstabilisierung in Stromnetzen. Möglich ist auch der Betrieb als Inselanlage in einem Inselnetz, 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 nicht mehr ausreicht. Beispiele für solche Installationen sind nicht nur abgelegene Hütten, Mobilfunk-Basisstationen in wenig erschlossenen Regionen oder Weltraumsatelliten, sondern auch viele Parkscheinautomaten, bei denen ein Anschluss an das Stromnetz teurer wäre als die Installation einer Solarzelle und eines Akkumulators.
Konventionelle U-Boot-Antriebe bestehen aus Dieselmotoren mit Generatoren (Fahren und Laden der Akkumulatoren bei nicht getauchter Fahrt/Schnorcheln) 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, auch als spezifische Energie bezeichnet. Sie sagt aus, wie viel elektrische Energie ein Akkumulator pro Masseneinheit (zum Beispiel Kilogramm) liefern kann. Dieser Wert ist besonders interessant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Herkömmliche Bleiakkumulatoren 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 pro Liter Rauminhalt) liefern kann. Hier liegt der Wert für herkömmliche Bleiakkumulatoren 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 Autofokus-Kameras, insbesondere solchen mit integrierten Blitzgeräten.
- Die möglichen Dimensionen (Abmessungen und Gewicht) und Bauformen der Akkuzelle. Sie sind entscheidend, wenn der Akkumulator auf möglichst kleinem Raum in elektronischen Geräten integriert werden soll. Ein gasdichter Aufbau etwa eines Gel-Bleiakkumulators 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 unter Umständen zu erheblichen Verringerungen der Kapazität (NiCd) oder der Spannung (NiMH). In Anwendungen, bei denen der Akkumulator 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 oder Li-Ion-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:
- Bleiakkumulator: 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), Antriebsbatterien für Elektroautos, Bsp.: Citroën AX electrique
- NiMH-Akku: portable elektronische Geräte mit konstanter Stromaufnahme, Modellbau, Elektroautos, Bsp.: General Motors EV1, Toyota Prius
- Li-Ion-Akku: portable elektronische Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit (Mobiltelefone, Notebooks, Kameras)
- Li-Po-Akku (auch Lipo, Lithium-Polymer): Antriebe im Modellbau, Mobiltelefon, Antriebsbatterie für extreme Reichweiten, Bsp.: Kruspan-Hotzenblitz[80]
- Li-Mn-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Pedelecs, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
- Li-Fe-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
- Lithium-(Nano)-Titanat-Akku: Antrieb von Elektrokraftwagen mit großen Reichweiten
- kein Akku, sondern Alkali-Mangan-Zellen: bei Anwendungen mit so geringem Energieverbrauch, dass sie damit länger als ein Jahr laufen, wie Uhren, Fernbedienungen, Thermometer, Feuermelder, selten benutzte Waagen.
Weiterentwicklung
Als Weiterentwicklung der herkömmlichen Akkumulatoren werden Brennstoffzellen-Systeme verwendet, die elektrische Energie mit Hilfe von Wasserstoff oder Methanol aus chemischer Energie erzeugen und diesen Prozess auch umkehren können (Reversible Brennstoffzelle). Brennstoffzellen erzeugen die elektrische Energie ohne exotherme Verbrennung und zusätzliche Umwandlungen. Da die Brennzelle selbst keine Energie speichern kann, müssen deshalb immer zusätzlich auch ein Speichersysteme verwendet werden, dessen Raumbedarf und Gewicht zu berücksichtigen ist. Dabei erfordern die Speichermedien Wasserstoff, Methanol und ähnliche Gase bzw. leichtflüchtige Flüssigkeiten andere technische Anforderungen als bei herkömmlichen Akkumulatoren. Dabei sind die Begriffe elektrochemische Zelle und Redox-Flow-Zelle parallel entstanden.
Konkurrierende Energiespeicher sind Hydraulikspeicher, bei denen die Energie meist mechanisch gespeichert wird.
Entsorgung
Das Batteriegesetz besagt, dass Batterien und Akkumulatoren nicht in den Hausmüll geworfen werden dürfen.[81] Mit der Zeit wird die Außenhülle einer Batterie oder eines Akkumulators durch Korrosion zersetzt, sodass umweltschädliche und giftige Chemikalien auslaufen. Passiert dies auf einer herkömmlichen Mülldeponie, gelangen die giftigen Schadstoffe in unser Ökosystem. Genauer gesagt, die Schadstoffe der Batterie versickern in unser Grundwasser und können so möglicherweise ins Trinkwasser gelangen oder Pflanzen schaden. Damit dies nicht geschehen kann, müssen Batterien und Akkus zum Sondermüll gegeben werden, wo sie umweltgerecht entsorgt werden.
Literatur
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- 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 oder PDF)
- DIN 40 729 Akkumulatoren – Galvanische Sekundärelemente – Grundbegriffe.
Weblinks
- Literatur von und über Akkumulator im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
- Ratgeber Batterien und Akkus (PDF 3,7 MB) vom Umweltbundesamt
Einzelnachweise
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- Telegraphentechnisches Reichsamt: Das deutsche Telegraphen-, Fernsprech- und Funkwesen 1899–1924. S. 29.
- Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung (PDF, 1,06 MB), (Jun.-)Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer, ISEA (RWTH Aachen)
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