Akkumulator

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Brandschaden an einem Energiespeichen. Dieser wird in einen Sicherheitsbehälter für havarierte Lithium-Ionen-Akkumulator verbracht.
Foto: Feuerwehr Gemeinde Karlstein
mit Akku betriebener Druckbelüfter
Foto: Rainer Schwarz
mit so einer Akku Luftpumpe kann man sogar Autoreifen aufpumpen.
Foto: Rainer Schwarz

Ein Akkumulator oder Akku ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Das lateinische Wort accumulator bedeutet „Sammler“ (lat. cumulus „Haufen“, accumulare „anhäufen“). Eine frühere Bezeichnung für Akkumulatoren war Sammler.

Ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement wird Sekundärelement oder Sekundärzelle genannt, im Gegensatz zur nicht (oder nur sehr begrenzt) wiederaufladbaren Primärzelle. Sekundärzellen lassen sich, wie Primärzellen und alle elektrische Energiequellen, zusammenschalten, entweder in Reihenschaltung (zur Steigerung der nutzbaren elektrischen Spannung) oder aber in Parallelschaltung (zur Steigerung der nutzbaren Kapazität (galvanische Zelle)|Kapazität beziehungsweise wegen der Eignung für höhere Elektrischer Strom|Stromstärken). Beide Schaltungsvarianten führen zur entsprechenden Erhöhung des Gesamt-Energiegehalts (Produkt aus Kapazität und Spannung, angegebenen in Wattstunden (Wh)) der Anordnung.

Bei jedem Akku#Akkumulatortypen|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.


Fotos: Rainer Schwarz


Begriffsklärung Akkumulator

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


Im technischen Sinn ist eine Batterie (Elektrotechnik) eine Kombination mehrerer gleichartiger Galvanische Zelle|galvanischer Zellen bzw. Elemente, die in Reihe zusammengeschaltet sind. Es gibt Batterien aus Galvanische_Zelle#Allgemeines|Primärzellen (nicht wiederaufladbar) und solche aus Sekundärzellen (wiederaufladbar). Ursprünglich waren mit Batterien nur solche aus Primärzellen gemeint. Seit der Ausbreitung der wiederaufladbaren Speicher ist diese einschränkende Definition veraltet.

In der Umgangssprache dient Batterie jedoch als Oberbegriff für (echte) Batterien, Primärzellen und Sekundärzellen. Es wird deshalb oft von „Batterien“ gesprochen, wenn eigentlich nur einzelne Primärzellen oder Sekundärzellen (Akkumulatorzellen) gemeint sind.

Beide Zellentypen sind in untereinander austauschbaren Batterie (Elektrotechnik)#Baugrößen|Baugrößen auf dem Markt, und beide werden im Englischen battery genannt, was zur Verwirrung beitragen dürfte. Akkuzellen sind im Englischen rechargeable batteries („wiederaufladbare Batterien“).

Elektrische Verbraucher, die sowohl mit Primär- als auch mit Sekundärzellen betrieben werden können, werden deshalb oft einfach batteriebetrieben genannt. Nur dann, wenn im täglichen Umgang mit dem Gerät die Wiederaufladbarkeit eine besondere Rolle spielt, bevorzugt man die Bezeichnung akkubetrieben. Im technisch-wissenschaftlichen Rahmen spricht man wegen der Dominanz des Englischen zunehmend von „wiederaufladbaren Batterien“ oder „sekundären Batterien“.


Kondensator

Kondensator (Elektrotechnik) speichern ebenfalls elektrische Energie und geben diese wieder ab, allerdings nicht in chemischer Form, sondern in einem Elektrisches Feld|elektrischen Feld zwischen den Kondensatorplatten.
Sie sind daher keine Akkumulatoren.


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, entwickelte 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 Elektroantriebe für Automobile. Die Akkutechnik nahm in der Zeit eine rasante Entwicklung. Folgender vom Fernmeldetechnisches Zentralamt|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:

Zitat 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 12zelligen 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.


Funktionsweise

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie Energiewandler|umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurück gewandelt (siehe dazu: Galvanische Zelle). Die für eine elektrochemische Batteriezelle|Zelle typische elektrische Nennspannung, der Wirkungsgrad und die Energiedichte hängen von der Art der verwendeten Materialien ab.


Akkumulatortypen

Die Akkumulatortypen werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

Abk. Material Spannung Bemerkungen
Aluminium-Ionen-Akkumulator experimenteller Prototyp<ref name="ORNL1" />
Ca-Ion Calcium-Ionen-Akkumulator 1,8 V in Entwicklung
Li-Ion Lithium-Ionen-Akkumulator 3,2–3,7 V Oberbegriff für verschiedene Lithium-Ionen-Akkumulatortypen:
* LiCoO2 Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator 3,6 V erste verfügbare Technologie
* LiPo Lithium-Polymer-Akkumulator 3,7 V Bauform mit Polymer als Elektrolyt
* Li-Mn Lithium-Mangan-Akkumulator 3,6 V
* Li(NiCoMn)O2 Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Akkumulator 3,6–3,7 V
* LiFePO4 Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator 3,3 V
** LiFeYPO4 Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulator Yttrium-Dotierung zur Verbesserung der Eigenschaften
* LiTi Lithiumtitanat-Akkumulator 2,4 V
Lithium-Akkumulatoren mit metallischem Lithium sie 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 2,58 V Markenbezeichnung: Zebra-Batterie
NaS Natrium-Schwefel-Akkumulator 2 V Hochtemperatur-Akku
Na-Ion Natrium-Ionen-Akkumulator 1,6–1,7 V
NiCd Nickel-Cadmium-Akkumulator 1,2 V
NiFe Nickel-Eisen-Akkumulator 1,2–1,9 V
NiH2 Nickel-Wasserstoff-Akkumulator 1,5 V
NiMH Nickel-Metallhydrid-Akkumulator 1,2 V
NiZn Nickel-Zink-Akkumulator 1,65 V
Pb Bleiakkumulator 2 V
PTMA modifiziertes PTMA genauer: 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinoxy-4-yl-methacrylat, ein umweltverträgliches organisches Polymer
RAM Rechargeable Alkaline Manganese 1,5 V
SnC/Li2S Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator
Silber-Zink-Akkumulator 1,5 V
Silizium-Luft-Akkumulator in Entwicklung
Vanadium-Redox-Akkumulator 1,41 V bei 25 °C
Zink-Brom-Akkumulator 1,76 V
Zink-Luft Akkumulator in Entwicklung
Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator experimenteller Prototyp


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 Batterie (Elektrotechnik)|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. 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-Gleichung|Peukert-Effekt), da die Verluste am Innenwiderstand zunehmen. Das optimale Nutzungsfenster ist dabei je nach Zellchemie stark unterschiedlich.

Akkumulatortyp Energiedichte
(Wh/kg)
Ladewirkungsgrad
(Stand 2007)
Besonderheit
Bleiakkumulator 30 60–70 %
Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator 120–210 90 % neuere Modelle schnellladefähig
Lithium-Polymer-Akkumulator 140–260 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 %<
Natrium-Ionen-Akkumulator 160 ?
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 Tiefentladung
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
Aluminium-Ionen-Akkumulator 1060 ? schnellladefähig, experimentelle Prototypen


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 weisen Akkumulatoren (Sekundärzellen) im Allgemeinen eine (oftmals deutliche) geringere Energiedichte als Batterie (Elektrotechnik)|Primärzellen auf.

Oft sind Akkus mit besonders hoher Energiedichte überproportional teuer oder weisen auch andere nachteilige Eigenschaften auf, insbesondere eine beschränkte Lebensdauer. So kosten Bleiakkumulatoren typischerweise 100 €/kWh; Li-Ion-Akkus hingegen derzeit (2012) typischerweise 350 €/kWh (200 €/kWh 2013), Tendenz fallend. 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-Gleichung|Peukert-Effekt), da die Verluste am Innenwiderstand zunehmen. Das optimale Nutzungsfenster ist dabei je nach Zellchemie stark unterschiedlich.

Akkumulatortyp Energiedichte (Wh/kg) Ladewirkungsgrad (Stand 2007) Besonderheit
Bleiakkumulator 30 60–70 %
Lithium-Ionen-Akkumulator auf der Basis von LiCoO2 120–210 90 % neuere Modelle schnellladefähig
Lithium-Polymer-Akkumulator 140–260 90 % praktisch beliebige Bauform möglich
Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator 80–140 94 % schnellladefähig, hochstromfähig, eigensicher
Lithium-Titanat-Akkumulator 70–90 90–95 % schnellladefähig
Lithium-Schwefel-Akkumulator 350 ? url=http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=788 | wayback=20090618082627 | text=Sion Introduces a Lithium Sulfur Rechargeable Battery, abgefragt am 8. Februar 2011.</ref>
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, 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 %
Silber-Zink-Akkumulator 65–210 83 % teuer, kurzlebig, empfindlich, sehr hohe Kapazität
Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator 1100 ? Experimenteller Prototyp
Aluminium-Ionen-Akkumulator 1000 ? schnelladefähig, experimentelle Prototypen

Ein Energiespeicher#Speichern elektrischer Energie|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 Elektrische Kapazität|Kapazität eines Kondensator (Elektrotechnik), die in Amperesekunde pro Volt (As/V) definiert ist und in der Einheit 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.


Ladezustand

Ein wichtiger Kennwert von mit Sekundärbatterien betriebenen Geräten ist der Ladezustand von Akkumulatoren (englisch State of Charge, SoC). Er wird üblicherweise in Prozentwerten angegeben, wobei 100% einen vollständig geladenen Akkumulator repräsentieren. Zur Bestimmung sind verschiedene Methoden gebräuchlich: chemische, spannungsabhängige, Strom-integrative, druckabhängige sowie die Messung der Akkumulator-Impedanz. Der Kehrwert des Ladezustands ist der Entladungsgrad.


Selbstentladung und 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
  • Nickel-Metallhydrid-Akkumulator|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 %
  • RAM-Zelle|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 dem Markt gebracht, der einer Selbstentladung von lediglich 15 % pro Jahr unterliegt. Es handelt sich hierbei um sogenannte NiMH mit geringer Selbstentladung|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

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren erreichen nach Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei jeweiliger Entladungsgrad|Entladetiefe von 70 %. Als weltgrößter Hersteller von Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren gilt BYD, der durch präzise Fertigung eine große Auswahl an Zellen für zyklenfeste Anwendungen, wie zum Beispiel im Einsatz bei stationären Speichersystemen entwickelt hat. Nach 7500 Zyklen mit einem Entladungsgrad von 85 % haben diese noch eine Restkapazität von mindestens 80 % bei einer Rate von 1 C; das entspricht bei einem Vollzyklus pro Tag einer Lebensdauer von mind. 20,5 Jahren.

Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator Sony Fortelion hat nach 10000 Zyklen mit 100% Entladungsgrad noch eine Restkapazität von 71 %. Dieser Akkumulator ist seit 2009 auf dem Markt.

In Solarbatterien eingesetzte Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen teilweise eine sehr hohe Zyklenfestigkeit von mehr als 10000 Lade- und Entladezyklen und eine lange Lebensdauer von bis zu 20 Jahren auf. Photovoltaik-Speichersystem von Bosch überzeugt durch sehr hohe Zyklenfestigkeit; Lithium-Ionen-Batterien absolvieren Alterungstest erfolgreich "Die Tests setzten die Batterien extremen Belastungen aus. So wurden über einen Zeitraum von 5 Jahren bei einer Entladungstiefe von 60 % mehr als 10.000 äquivalente Vollzyklen erreicht." und „Simulationen, die sich auf unsere Laborergebnisse und die unserer Kollegen vom ZSW stützen, zeigen, dass bei Berücksichtigung beider Alterungsprozesse die Batterien im BPT-S 5 Hybrid bis zu 20 Jahre betriebsfähig sind“, abgerufen am 29. März 2014. Die Zellen haben laut Hersteller eine voraussichtliche Lebensdauer von 20 Jahren und könnten bis zu 15.000 Mal aufgeladen werden“, solarserver.de, abgerufen am 29. März 2014.

Plug in America hat unter Fahrern des Tesla Roadster eine Umfrage durchgeführt 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 hatten. Dies war unabhängig davon, in welcher Klimazone das Fahrzeug bewegt wurde. 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.

Varta AG|Varta Storage gibt auf seine Produktfamilie engion family und engion home eine Garantie von 14.000 Vollzyklen und einer Lebensdauer von 10 Jahren.


Ladezeiten

Elektroautos wie Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3 usw. können ihre Akkus an Schnellladestationen innerhalb von 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen. In Laboratorien der Firma 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.

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 Titan-Dioxid-Gel. Das Gel beschleunigt die chemische Reaktion deutlich und sorgt so für ein schnelleres Aufladen. Insbesondere sollen diese Akkus in Elektroautos verwendet werden. Bereits im Jahr 2012 haben Forscher der Ludwig-Maximilian-Universität in München das Grundprinzip entdeckt.

Wissenschaftler der Stanford-Universität in Kalifornien haben einen Akku entwickelt, der innerhalb einer Minute aufgeladen werden kann. Die Anode besteht aus Aluminium und die Kathode aus Grafit (s. Aluminium-Ionen-Akkumulator).

Das Elektroauto Volar-e der Firma Applus+IDIADA, basierend auf dem Rimac Concept One, enthält Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator|Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus, die innerhalb von 15 Minuten wieder aufgeladen werden können.


Neue Entwicklungen

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.

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.

Auch wird an Akkumulatoren aus organischem Material gearbeitet.

Wissenschaftler der Stanford-Universität in Kalifornien haben einen neuartigen Akku mit sehr günstigen Eigenschaften entwickelt. Die Anode besteht aus Aluminium und die Kathode aus Grafit (s. Aluminium-Ionen-Akkumulator). 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.

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.


Preisentwicklung

Bleiakkumulatoren kosten typischerweise 100 €/kWh. Li-Ion-Akkus kosteten im Januar 2014 hingegen typischerweise rund 110 €/kWh (150 USD/kWh). Die Preise für Li-Ion-Akkus sind seit 2011 deutlich gefallen Auf einer Konferenz für Elektromobilität im Oktober 2013 erwähnte der Trendforscher Lars Thomsen, dass Tesla seine Akkus zum damaligen Zeitpunkt für 200 USD/kWh (umgerechnet 148 €/kWh) verbaut hat.

Für das für den Herbst 2016 geplante E-Mobil Bolt rechnet General Motors mit 145 USD/kWh, sowie einer Reduktion auf 100 USD/kWh bis 2022. Ursachen für den Preisrückgang sind die zunehmende Massenproduktion, welche die Stückkosten durch bessere Technologien und Skaleneffekte verringert hat.

Im deutschen Einzelhandel werden LiFePO4-Akkuzellen ab etwa 420 €/kWh (1,35 €/Ah) angeboten (Stand Januar 2015).


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 Elektrofahrzeug|Kraftfahrzeugen, Schiffen oder gar kleinen Flugzeugen werden deren Akkus zur Unterscheidung von bloßen Starterbatterien dann als Traktions-Akkumulatoren bezeichnet und zu Traktionsbatterien zusammengeschaltet (s.a. Elektroauto, Elektromotorrad, Elektromotorroller, Batteriebus, Elektrolastkraftwagen).

Immer beliebter werden Pedelecs, ein spezielles Elektrofahrrad.

Akkus kommen auch zum Einsatz, um Schwankungen bei der regenerativen Erzeugung von Strom mit Wind und/oder Sonne auszugleichen (s. Solarbatterie), oder auch, 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 Satellit (Raumfahrt)|Weltraumsatelliten, sondern auch viele Parkscheinautomaten, bei denen ein Anschluss an das Stromnetz teurer wäre als die Installation einer Solarzelle und eines Akkumulators (s.a. Inselsystem, Inselnetz, Inselanlage).

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

Viele Schiffe fahren generell mit Elektroantrieb. Der notwendige Strom wird von Dieselgeneratoren erzeugt. Damit der Dieselmotor immer im optimalen Drehzahlbereich arbeiten kann, wird die Energie in Akkus zwischengespeichert. Auch gibt es Fähren, die rein elektrisch nur mit Akkuantrieb fahren und jeweils an der Anlegestelle wieder aufgeladen werden s. a. dieselelektrischer Antrieb).

Akkumulatoren dienen in Systemen zur Unterbrechungsfreie Stromversorgung|unterbrechungsfreien Stromversorgung  (USV) auch zur kurz- bis mittelfristigen Überbrückung von Ausfällen der stationären Energieversorgung. Wichtige Bereiche, die es mit einer Allgemeine Ersatzstromversorgung|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.

Batterie-Speicherkraftwerke werden u.a. eingesetzt zur Abdeckung von Spitzenlasten im Stromnetz und auch zur Netzstabilität|Netzstabilisierung in Stromnetzen.


Auswahlkriterien

Kriterien für die Auswahl eines Akkumulatortyps für eine bestimmte Anwendung sind unter anderem:

  • Die Gravimetrie (Chemie) 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 VRLA-Akkumulator|Gel-Bleiakkumulators ermöglicht den lageunabhängigen Einsatz ohne Gefahr durch auslaufenden Elektrolyt oder Korrosion|korrosive Gase
  • Der Memory-Effekt (Akkumulator) 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
  • Nickel-Cadmium-Akkumulator|NiCd-Akku: Elektrowerkzeuge, Antriebe im Modellbau, portable elektronische Geräte mit kurzzeitig hoher Stromaufnahme (Foto-Blitzgeräte), Traktionsbatterien für Elektroautos, Bsp.: Citroën AX#AX Electrique|Citroën AX electrique
  • Nickel-Metallhydrid-Akkumulator|NiMH-Akku: portable elektronische Geräte mit konstanter Stromaufnahme, Modellbau, Elektroautos, Bsp.: EV1|GM EV1, Toyota Prius
  • Lithium-Ionen-Akkumulator|Li-Ion-Akku: portable elektronische Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit (Mobiltelefone, Notebooks, Kameras)
  • Lithium-Polymer-Akkumulator|Li-Po-Akku (auch Lipo, Lithium-Polymer): Antriebe im Modellbau, Mobiltelefon, Traktionsbatterie für extreme Reichweiten, Bsp.: Kruspan-Hotzenblitz
  • Li-Mn-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Pedelecs, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
  • Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator|Li-Fe-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
  • Lithium-Titanat-Akku|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.

Als Alternative zu Akkumulatoren werden Brennstoffzellen-Systeme diskutiert und auch schon verwendet, die elektrische Energie mit Hilfe von Wasserstoff oder Methanol aus chemischer Energie erzeugen. Brennstoffzellen erzeugen die elektrische Energie ohne exotherme Verbrennung und zusätzliche Umwandlungen. Zu beachten ist dabei, dass die Energieabgabe der Brennstoffzelle kaum variiert werden kann. In Systemen mit schwankendem Leistungsbedarf (Bsp.: Hybridelektrokraftfahrzeug) müssen deshalb immer zusätzlich auch Akkumulatoren verwendet werden, die aber in Vergleichen oft unberücksichtigt bleiben.

Bei Vergleichen mit ausschließlichem Akkumulatorbetrieb muss also korrekterweise neben der eigentlichen Brennstoffzelle auch der Raumbedarf und das Gewicht des Treibstoffbehälters (Wasserstoff-Flaschen, Methanol-Tank) sowie der notwendigen Puffer-Akkus berücksichtigt werden.

Konkurrierende Energiespeicher sind auch Hydraulikspeicher sowie elektrochemische Zellen wie die Redox-Flow-Zelle.




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