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Akkumulatoren (Akkus)

Akkumulatoren, kurz Akkus, sind wiederaufladbare Energiequellen. Sie finden täglich Einsatz in Kleinstgeräten, die nicht an eine Stromversorgung mit Kabel betrieben werden können.
Die Leistungsfähigsten Akkus sind Lithium-Ionen-Akkus und Lithium-Polymer-Akkus.

Auszug aus der Batterieverordnung

§ 7 Pflichten des Endverbrauchers
(1) Der Endverbraucher ist verpflichtet, Batterien, die Abfälle sind, an einen Vertreiber oder an von den öffentlich-rechtlichen Entsorgungsträgern dafür eingerichteten Rücknahmestellen zurückzugeben.

Übersicht

Bezeichnung Aufbau Ladeverfahren Anwendung Umwelt
Blei-Akku Bleioxid und Blei mit Schwefelsäure I/U-Ladeverfahren hohe Strombelastbarkeit giftig
NiCd Oxy-Nickelhydroxid und Cadmium mit Kaliumhydrid Konstantstrom oder Reflex-Ladeverfahren
Memoryeffekt
Geräte des täglichen Bedarfs giftig, aber recyclebar
NiMH Nickel und eine Metalllegierung Konstantstrom, kein Memoryeffekt Geräte des täglichen Bedarfs giftig, aber recyclebar
Li-Ion Lithium-Ionen, Lithium-Polymere, Lithium-Metall I/U-Ladeverfahren Geräte des täglichen Bedarfs giftig

Blei-Akku

Der Blei-Akku ist ein Blei-Bleioxid-System, das auch unter der Bezeichnung Blei-Säure-Akku bekannt ist. Diesen Akku gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen und Bauformen. Im wesentlichen unterscheidet man offene und gasdichte Systeme.
Blei-Zellen entladen sich pro Tag etwa um 1%. Aus diesem Grund werden Blei-Akkus nach 6 jähriger Betriebsdauer im professionellen/kommerziellen Bereich ausgetaucht. Danach kann ein störungsfreier Betrieb nicht mehr garantiert werden.

Eigenschaften

Nennspannung 2,0V
Leerlaufspannung 2,08V
Selbstentladung 1% pro Tag

Aufbau

Die Blei-Akku-Zelle ist ein säuredichter Behälter. Die positive Elektrodenplatte besteht aus Bleioxid (PbO²). Die negative Elektrodenplatte aus metallischem Blei. Sie sind durch einen Separator aus Glasfiber, Mikroglas oder PVC getrennt. Der Elektrolyt ist eine Schwefelsäure.

Ladeverfahren

Als Ladeverfahren wird das I/U-Verfahren verwendet. Dabei wird die Blei-Zelle bis zu der gewünschten Spannung mit Konstant-Strom aufgeladen. Danach erfolgt eine Konstantspannungsladung.

Anwendung

Blei-Akkus werden überall dort eingesetzt, wo eine hohe Strombelastbarkeit erforderlich ist (Alarmanlagen). Dabei muss beachtet werden, dass Blei-Akkus ein sehr hohes Gewicht haben. Sie sind deshalb nicht für den mobilen Einsatz geeignet. Meist sind Sie in einem stabilen Stand-Metallgehäuse untergebracht.

Nickel-Cadmium-Akku (NiCd)

Nickel-Cadmium-Akkus gehören mit zu den ältesten Akku-Typen der Geschichte. Es gibt sehr viele Anwendungen in der Industrie und beim Militär. Bekannt sind die heutigen Typen als kleine gasdichte Akkus in rund- und knopfähnlichen Ausführungen für elektronische Geräte. Neben der geschlossenen, wartungsfreien Bauform und der langen Lebensdauer kennt man sie wegen dem umweltschädlichen Cadmium und dem Memory-Effekt. Besonders der Memory-Effekt bereitet uns mit diesem Akku-Typ Probleme.

EU-Verordnung

Ende 2004 haben die EU-Umweltminister eine Verordnung erlassen, die den Einsatz von Batterien und Akkus mit dem Schwermetall Cadmium reduziert. Bis spätestens 2007 muss ein Verbot für NiCd-Akkus in nationales Gesetz umgesetzt werden. Ausgenommen sind schnurlose Elektrowerkzeuge, so genannte Power Tools, für die es keinen gleichwertigen Ersatz gibt.

Aufbau

Bei NiCd-Akkus besteht die positive Elektrode aus Oxy-Nickelhydroxid (2NiOOH) und die negative Elektrode aus Cadmium. Bei beiden Elektroden wird zur besseren Leitfähigkeit Grafitpartikel eingelagert. Der Elektrolyt ist Kaliumhydroxid (KOH).

Ladeverfahren

Das sogenannte Reflex-Ladeprinzip ist die beste Möglichkeit um den Memory-Effekt bei NiCd-Akkus zu umgehen.
Beim Memory-Effekt sterben ungenutzte Bereiche des Akkus ab. Dies ist mit einem Kapazitätsverlust vergleichbar. Dies tritt auf, wenn die teilentladene Zelle mit dem üblichen Konstantstromladeverfahren aufgeladen wird.

Anwendung

Wegen ihrer hohen Strombelastbarkeit werden sie nur noch für Hochstromanwendungen verwendet, wo Nickel-Metallhydrid-Akkus ungeeignet sind. Wegen einer neuen EU-Verordnung werden NiCd-Akkus in Zukunft eine immer geringere Rolle spielen. Zumindest wird es die auswechselbaren Bauformen nicht mehr geben.
(siehe auch nächsten Artikel)

Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH)

Auf der Suche nach einem umweltverträglichen Ersatz zum NiCd-Akku wurde das Cadmium (Cd) durch eine Metalllegierung ersetzt. Die Legierung ist in der Lage Wasserstoff zu absorbieren. Dieses System hat eine höhere Energiedichte. Die Masse der negativen Elektrode kann reduziert und der Platz mit mehr positiver Masse aufgefüllt werden. Die NiMH-Zelle ist spannungskompatibel zur NiCd-Zelle. Erreicht allerdings die Strombelastbarkeit nicht. Hochstromanwendungen, wie zum Beispiel bei Akku-betriebenen Elektrogeräten sind mit NiCd-Akkus besser ausgestattet.

NiMH-Ladeverfahren

Aktuelle NiMH-Akkus können mit einem hohen Ladestrom geladen werden. Dann sind die Akkus schon nach wenigen Stunden voll. Der maximale Ladestrom darf dabei trotzdem nicht überschritten werden. Ist der Akkus voll, dann kann jede weitere Energiezufuhr den Akku dauerhaft schädigen. Ein gutes Ladeverfahren und ein entsprechend guter Akkulader können teilgeladene Akkus erkennen und zuverlässig das Ladeende bestimmen. Dabei spielt es keine Rolle wie alt der Akku ist, welche Nennkapazität er hat und welche Umgebungstemperatur herrscht.
Ein voller Akku wandelt die zugeführte Energie direkt in Wärme um. Gute Ladegeräte messen die Temperaturänderung und erkennen wann die Ladung beendet werden muss.
Akkusspannung in Abhängigkeit der zugeführten Leistung
Die Akkuspannung nimmt bei vollem Akku nicht mehr zu. Wegen zunehmender Temperatur und Gasung nimmt sie sogar ein bisschen ab. Dabei beginnt schon die Überladung. Ein guter Akkulader lädt den Akku und prüft die Spannungsdifferenz und Temperaturdifferenz. Stellt sich der Ladespannungsbuckel nicht ein, weil der Akku bereits voll ist führt die Temperaturerhöhung zum Ladeende.
Die Entladefunktion der Ladegeräte sollte bei NiMH-Akkus nicht verwendet werden. Bei einem vollen Entlade- und Ladezyklus muss die komplette Akku-Chemie umgeschichtet werden. Nach Möglichkeit sollte das vermieden werden. Der Akku nutzt sich durch Teilentladung wesentlich weniger ab. Den so genannten Memory-Effekt gibt es bei aktuellen NiMH-Akkus nicht mehr.
Wenn sich die Akkuleistung von NiMH-Akkus verringert, dann sind das Schäden durch Überladung, Überhitzung oder Tiefentladung.
Das CCS-Ladeverfahren (Computerized Charging System) führt periodische Messungen unter wechselnder Last an den Akkus durch. Aus dem charakteristischen Impedanzwerten wird der Ladezustand berechnet. Ein Überladen gibt es nicht mehr. Ganz egal ob NiCd- oder NiMH-Akkus

Anwendung

Dies Art von Akku befindet sich überall in Geräten des täglichen Gebrauchs:

  • Camcorder
  • Schnurlose Telefone
  • Modellbau

Lithium-Ionen-Akkus

Der Markt von Kleinstgeräten (Handys, Notebooks, Smartphones, PDAs) zeigt einen Trend zur Miniaturisierung. Gleichzeitig steigt der Energiebedarf solcher Systeme. Wegen der hohen Energiedichte der Lithium-Zellen sind diese besonders für mobile Geräte geeignet. Zum Beispiel Handys und Notebooks. Allerdings sind Lithium-Ionen Akkus teuer und reagieren wesentlich empfindlicher auf falsche Behandlung als andere Akkus.
Ist bei der Konstruktion und Fertigung nichts schief gegangen, so bleibt er über 5 Jahre funktionstüchtig. Werden die 500 bis 1000 möglichen Ladezyklen konsequent ausgenutzt, bleibt auch die Kapazität weitgehendst erhalten. Generell sollte ein Lithium-Ionen-Akku immer vollständig geladen und entladen werden. Unvollständige Lade-/Entladevorgänge zählen als ein kompletter Ladezyklus. Auch der ständige Betrieb des Akkus parallel zum einem Netzteil drückt die Anzahl der möglichen Ladezyklen.
Die Aufladung erfolgt mittels des I/U-Ladeverfahrens, bei dem der Akku erst mit Konstantstrom und dann mit Konstantspannung aufgeladen wird.
Die Alterung der Lithium-Ionen-Akkus wird durch die Zell-Oxidation hervorgerufen. Dabei oxidieren die Elektroden. Diese verlieren die Fähigkeit Lithium-Ionen zu speichern, die für den Stromfluss notwendig sind. Die Zell-Oxidation wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Zum Beispiel durch die Temperatur und dem Ladezustand des Akkus. Bei hoher Temperatur und vollem Akku entwickelt sich die Zell-Oxidation besonders schnell. Dieser Zustand kommt z. B. bei Notebooks häufig vor, wenn der Akku vollständig geladen ist und gleichzeitig das Gerät in Betrieb ist und warm wird. Die Wärme überträgt sich auf den Akku. Benötigt man den Akku nicht, so sollte man ihn zur Hälfte aufladen und bei Zimmertemperatur, besser im Kühlschrank (nicht Kühlfach), lagern. Erst kurz bevor man ihn wieder einsetzen will, lädt man ihn vollständig auf.

Lagerung

Muss ein Lithium-Ionen-Akku längere Zeit gelagert werden, muss regelmäßig der Ladezustand kontrolliert werden. Der optimale Ladezustand liegt zwischen 50% und 80%. Die Selbstentladung von 1% pro Monat ist äußerst gering, allerdings stark temperaturabhängig. Lithium-Ionen-Akkus sollten alle 3 bis 4 Monate nachgeladen werden, um die Tiefentladung zu vermeiden. Erreicht eine Zelle eine Spannung unter 2V kann sich die Zelle zerstören.
Beim Erwerb von Lithium-Ionen-Akkus muss immer damit gerechnet werden, dass Akkus vorzeitig den Geist aufgeben. Vor allem bei Akkus die aus Fernost kommen oder länger unterwegs gewesen sind. Das gilt genauso für Ersatzakkus, die evt. eine längere Lagerung hinter sich haben. Ist ein Akku doch kaputt, dann kann ein Reparatur in Frage kommen. Wenn nicht, dann sollte der Akku beim Händler oder im Sondermüll entsorgt werden.

Technische Entwicklung

Die Firma Toshiba hat einen Lithium-Ionen-Akku entwickelt, der nach einer Minute Ladezeit 80 Prozent seiner Kapazität erreicht. Der Ladevorgang läuft 60 mal schneller ab, als bei sonst üblichen Lithium-Ionen-Akkus. Außerdem soll der Kapazitätsabfall nach 1000 Ladezyklen weniger als 1% betragen. Auch der Kapazitätsabfall aufgrund niedriger oder hoher Temperatur soll nur noch wenige Prozent betragen.
Im Innern dieses Lithium-Ionen-Akkus befindet sich eine Anode aus Lithium-Kobaltoxid. Herkömmliche Akkus haben eine Kohlenstoff-Anode. Ein besonderes Elektrolyt und Teilchen mit einigen 100 Nanometer Durchmesser, die die Anode überziehen, sorgen während des Ladevorgangs für eine schnelle Übertragung der Lithium-Ionen auf die Kathode.

Akkupflege

Ob ein Lithium-Ionen-Akku nur ein oder sogar 5 Jahre hält, hängt von der Verarbeitung, dem Gebrauch und der Temperatur ab.
Chemische Änderungen des Elektrolyten und der Oxidation der Elektroden sind die Hauptursache für die Alterung. Das Lithium-Ionen-Akkus nach 2 bis 3 Jahren an Kapazität verlieren ist nur eine Faustregel.
Nicht gebrauchte Akkus sollten nicht im Gerät, sondern extern gelagert werden. Je höher die Temperatur, also je wärmer der Akku, desto schneller altert er. Da sich elektronische Geräte während des Betriebs stark erwärmen ist das eine schlecht Voraussetzung für Lithium-Ionen-Akkus. Am besten lagert man sie mit der Hälfte der Ladung im Kühlschrank. Bei einer Selbstentladung von 1% im Monat hält die Ladung sehr lange an.

Quelle: elektronik-kompendium

 
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