Ein Akkumulator (auch: Akku; veraltet: Sammler; pl. Akkumulatoren, kurz Akkus) ist ein mehrfach nutzbarer Speicher für elektrische Energie, meistens auf Basis eines elektrochemischen Systems, und damit eine Sonderform einer Batterie. Im Unterschied zu einer nicht wieder aufladbaren Batterie aus Primärzellen besteht ein Akkumulator aus einer oder mehreren wiederaufladbaren Sekundärzellen. Wie bei Batterien können dabei mehrere Zellen zur Erhöhung der Gesamtspannung in Reihe geschaltet werden oder zur Erhöhung der Kapazität parallel.

Allgemeines

Die erste Vorform eines Akkumulators wurde 1803 von Johann Wilhelm Ritter gebaut. Im Gegensatz zu den Zellen von Alessandro Volta waren diese nach der Entladung wieder aufladbar.

Da der Begriff Batterie nicht die Einweg-Nutzbarkeit einer Primärzelle impliziert, sondern im derzeitigen Sprachgebrauch einen Oberbegriff darstellt, ist die umgangssprachliche Verwendung der Begriffe Batterie und Akku unscharf – es wird also oft von einer „Batterie“ gesprochen, wenn eigentlich ein Akkumulator gemeint ist. Dies wird auch dadurch unterstützt, dass es beide Zellentypen in untereinander austauschbaren Baugrößen gibt und dass es in der englischen Sprache nur den Begriff battery gibt. Elektrische Verbraucher, die mit Akkumulatoren betrieben werden können, werden oft einfach als batteriebetrieben bezeichnet; nur dann, wenn die Wiederaufladbarkeit im alltäglichen Umgang mit dem Gerät eine nennenswerte Rolle spielt, wird auch der Begriff akkubetrieben verwendet.

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 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.

Technologische Abgrenzung

Kondensatoren speichern ebenfalls elektrische Energie, aber nicht in chemischer Form, sondern im elektrischen Feld zwischen den Kondensatorplatten. Die Energiedichte ist 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 (bei geringem Serienwiderstand bzw. geringer Impedanz) aber sehr schnell von einem Kondensator aufgenommen oder abgegeben werden. Ebenso bewirkt die Abwesenheit chemischer Prozesse, dass Kondensatoren viel häufiger geladen und entladen werden können als die meisten Akkumulatoren. Kondensatoren eignen sich somit für Anwendungen, die wiederholt kurzzeitig hohe Ladungs-Änderungen erfordern. Viele Kondensatoren sind polungs-ungerichtet, während bei einem Akkumulator immer auf korrekte Polung geachtet werden muss.

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 identer 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 %
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	89 %	300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung
Nickel-Eisen-Akkumulator	40	65-70 %	sehr Unempfindlich gegenüber 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 mit keinen praktischen Daten

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 in Amperesekunde pro Volt (As/V) definiert ist und in der Einheit Farad (F) angegeben wird.

Die beim Akku entnehmbare Kapazität hängt vom Entladeverlauf ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung des Akkus (der Spannung, bei der die Entladung beendet wird), und selbstverständlich vom Ladezustand. Es ergeben sich verschiedene Entladungsarten: u. a.: Entladung mit konstantem Strom, Entladung über konstanten Widerstand oder Entladung mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverlauf besitzt der Akku eine andere Kapazität. In einer aussagekräftigen Angabe der Nennkapazität müssen daher sowohl der Entladestrom als auch die Entladeschlussspannung angegeben werden.

Generell nimmt die entnehmbare Kapazität eines Akkumulators mit zunehmendem Entladestrom ab. Der Grund hierfür ist der mit steigendem Strom zunehmende Spannungsabfall am Innenwiderstand des Akkus, der die Ausgangsspannung entsprechend absinken lässt, so dass die Entladeschlussspannung entsprechend früher erreicht wird. Reduziert man nach einer anfänglichen Schnellentladung die Stromentnahme aber auf das Niveau einer Normalentladung, kann praktisch dieselbe Strommenge entnommen werden wie bei einer Normalentladung von Anfang an. Ein solcher Betrieb, bei dem mit nachlassender Akkuladung auch die Stromentnahme reduziert wird, ist aber nur in wenigen Fällen möglich.

Für die entladestromabhängige Kapazität haben sich zeitabhängige Angaben eingebürgert. So gibt die C20-Kapazität die verfügbare Energiemenge an, wenn der Akku innerhalb von 20 Stunden mit einem gleichmäßigen Entladestrom bis zur Entladeschlussspannung entladen wird. Multipliziert man die Nennkapazität (Maßeinheit: Ah) mit der Nennspannung (Maßeinheit: Volt), so ergibt sich der Energiegehalt (Maßeinheit: Wh).

Um die Spannung zu vervielfachen, werden mehrere Zellen gleicher Kapazität in Reihe geschaltet. Die Zellen können dabei in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst werden, wie es zum Beispiel bei der Fahrzeug-Starterbatterie üblich ist, die üblicherweise aus sechs Zellen für insgesamt 12 V Nennspannung besteht. Mechanisch und elektrisch verbundene Akkumulatoren werden auch Akkupack genannt.

Beim Aufladen werden, je nach Akkutyp, verschiedene Ladeverfahren verwendet. Der Ladevorgang wird dabei durch einen Laderegler gesteuert.

Die Haltbarkeit bzw. Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren wird mit der Zahl von Lade-Entlade-Zyklen angegeben, nach der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Ladekapazität (80 %) hat. Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwerte an.

Die Leerlaufspannung kann als Indiz für die Qualität eines Akkumulators dienen: Im Laufe der Lebensdauer sinkt aufgrund von chemischen Reaktionen (Alterung) die Leerlaufspannung bei einem vollständig geladenen Akku ab.

Entsprechend dem Wear Level, der Abnutzung des Akkumulators, sinkt im Verlauf der Lebensdauer die Ladekapazität und damit auch die Energiedichte.

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; 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

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

• Pb – Bleiakku (2 V Nennspannung/Zelle)

• NiCd – Nickel-Cadmium-Akku (1,2 V Nennspannung/Zelle)

• NiH₂ – Nickel-Wasserstoff-Akkumulator (1,5 V Nennspannung/Zelle)

• NiMH – Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (1,2 V Nennspannung/Zelle)

• NiFe – Nickel-Eisen-Akku (1,2–1,9 V Nennspannung/Zelle)

• Li-Ion – Lithium-Ionen-Akku (3,6-3,7 V Nennspannung/Zelle)

• LiPo – Lithium-Polymer-Akku (3,7 V Nennspannung/Zelle)

• LiFe – Lithium-Metall-Akku (3,3 V Nennspannung/Zelle)

• LMP - Lithium-Metall-Polymer-Akku (neueste Akku-Technologie von DBM-technology, Berlin)

• Li-Mn – Lithium-Mangan-Akku (3,6 V Nennspannung/Zelle)

• LiFePO₄ – Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator (3,2 V Nennspannung/Zelle)

• LiTi – Lithium-Titanat-Akku (3,2 V Nennspannung/Zelle)

• LiS - Lithium-Schwefel-Akkumulator (2,2 V Nennspannung/Zelle)

• RAM – Rechargeable Alkaline Manganese (1,5 V Nennspannung/Zelle)

• PTMA – modifiziertes PTMA, genauer: 2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxy-4-yl-Methacrylat, ein umweltverträgliches organisches Polymer

• Na/NiCl – Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur-Batterie (Markenbezeichnung: Zebra-Batterie ) (2,58 V Nennspannung/Zelle)

• SCiB – Super Charge Ion Battery

• SnC/Li₂S - Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator

• Silber-Zink-Akku (1,5 V Nennspannung/Zelle)

• Nickel-Zink-Akkumulator (1,65 V Nennspannung/Zelle)

• Vanadium-Redox-Akkumulator

• Zink-Brom-Akku (1,76 V Nennspannung/Zelle)

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 korrekter Weise 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 978-3-939359-11-1.

• DIN 40 729 Akkumulatoren – Galvanische Sekundärelemente – Grundbegriffe.

Einzelnachweise

1. ↑ Alles über Akkus (Informationen über Akkus und Batterien und Ladetechnik/Lagegeräte), funkcom.ch, Matthias Frehner

2. ↑ Der 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)