Akkumulatoren – Einsatzbereiche, Akkutypen, Erhöhung der Lebensdauer

Akkumulator – wiederaufladbarer Energiespeicher für viele Zwecke

Akkumulatoren sind Energiespeicher, die in der Regel ein elektrochemisches System beinhalten und wiederaufladbar sind. Beim Laden von Akkus wird elektrische in chemische Energie umgewandelt. Diese wandelt sich wieder in elektrische Energie um, wenn ein Gerät über den Akkumulator mit Strom versorgt wird. Sowohl beim Auf- als auch beim Entladen wird Wärme abgegeben, ein Teil der aufgewendeten Energie entweicht also. Das Verhältnis zwischen der zum Laden aufgewendeten und der entnehmbaren Energie wird Ladewirkungsgrad genannt.

Einsatzbereiche von Akkus

In vielen verschiedenen Bereichen kommen Akkumulatoren zum Einsatz. Allgemein lässt sich sagen, dass sie dort eingesetzt werden, wo ein netzunabhängiger Betrieb entweder notwendig oder gewünscht ist. Akkus werden zum Beispiel in Form von Starterbatterien in Autos, Schiffe und Flugzeuge eingebaut, wo sie die zum Starten des Motors nötige Energie liefern. Läuft der Motor, werden sie über die Lichtmaschine oder einen Anlassgenerator wieder aufgeladen. Auch kleine Geräte wie Smartphones und Kameras werden über Akkumulatoren mit Strom versorgt.

In ruralen Gegenden, in denen die Häuser nicht an ein Stromnetz angebunden sind, werden Akkus genutzt, um Wind- oder Solarenergie zu speichern und später verwenden zu können. Darüber hinaus werden Akkumulatoren eingesetzt, um Ausfälle einer stationären Stromversorgung zu überbrücken. Dies ist vor allem in Krankenhäusern von großer Bedeutung, damit lebenserhaltende Systeme bei einem Stromausfall weiterarbeiten. Aber auch in Rechenzentren sind Akkus zur Überbrückung von Unterbrechungen gängig.

Akkumulator-Typen

Je nach Anwendungsbereich werden unterschiedliche Ansprüche an einen Akkumulator gestellt. Dementsprechend gibt es diverse Typen, die nach den genutzten Materialien benannt sind. Als Starterbatterien für Autos dienen Bleiakkus. Tragbare elektronische Geräte mit längerer Betriebszeit wie Notebooks, Smartphones und Kameras sind meist mit Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet. Elektroautos mit einer Reichweite von über 400 Kilometern verfügen in der Regel über einen Lithium-Titanat-Akku. Nickel-Cadmium-Akkus werden für portable Geräte mit kurzfristig hoher Stromaufnahme, etwa für Blitzlichtgeräte von Kameras, und elektrische Werkzeuge gebraucht. Darüber hinaus gibt es viele weitere Akkumulatoren für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete, wie zum Beispiel:

  • Nickel-Metallhydrid-Akkumulator
  • Lithium-Polymer-Akku
  • Lithium-Eisen-Phosphat-Akku
  • Nickel-Eisen-Akku
  • Zebra-Batterie
  • Nickel-Eisen-Akku
  • Silber-Zink-Akku
  • Nickel-Wasserstoff-Akku
  • Zink-Brom-Akku

Zu beachten ist, dass Akkus ihre Energie auch dann verlieren, wenn sie nicht verwendet werden. Dieser Prozess wird Selbstentladung genannt. Wie hoch der Energieverlust ausfällt, hängt vom Akkutyp, vom Alter des Akkumulators und von der Lagertemperatur ab.1

Die Lebensdauer von Akkus verlängern

Je länger ein Akkumulator hält, desto besser ist das für die Umwelt und den eigenen Geldbeutel. Mit ein paar einfachen Maßnahmen kann die Lebensdauer von Akkus erhöht werden. Wie dieses Maßnahmen aussehen, ist vom Typ abhängig, die Chemie des Akkusystems ist entscheidend. Die Lebensdauer eines Akkumulators kann so teils sogar verdoppelt werden. Laut Definition ist das Ende der Lebensdauer eines Akkus dann erreicht, wenn seine Restkapazität weniger als 60 Prozent der ursprünglichen Kapazität – der sogenannten Bemessungskapazität – beträgt. Ein Akkumulator kann also weiter genutzt werden und muss nicht unbedingt ausgetauscht werden, wenn das Ende der Lebensdauer erreicht ist. Ein Austausch ist nur dann unumgänglich, wenn der Akku komplett defekt ist. Durch das Aufladen zum richtigen Zeitpunkt und eine fachgerechte Lagerung lässt sich die Lebensdauer von Akkumulatoren erhöhen.

Lithium-Ionen-Akkus richtig laden und lagern

Damit Lithium-Ionen-Akkus beziehungsweise Lithium-Polymer-Akkus möglichst lange halten, sind einige Aspekte zu beachten. Zunächst einmal hat die Umgebungstemperatur einen hohen Einfluss auf die Lebensdauer von Li-Ion-Akkus. Optimal ist eine Temperatur zwischen 10 und 25 °C. Unbedingt vermieden werden sollten Temperaturen unter – 20 °C sowie über + 50 °C. Deshalb sollten Lithium-Ionen-Akkus auf gar keinen Fall in aufgeheizten Autos liegen gelassen werden. Auch wenn mit einem Laptop gearbeitet wird, der ständig ans Netz angeschlossen ist, kann der Akku langfristig geschädigt werden.

Dauerladung, Überladung und Überentladung sollten vermieden werden, da sie sich negativ auf die Lebensdauer der Akkumulatoren auswirken. Sobald ein Akku aufgeladen ist, sollte er vom Stromnetz getrennt werden. Überentladungen können durch längere Lagerzeiten auftreten, verhindert werden sie, indem der Akkumulator zwischendurch immer wieder geladen wird. Bei Lithium-Ionen-Akkus sollte mit dem Aufladen nicht gewartet werden, bis sie komplett entladen sind. Neben irreversiblen Kapazitätsverlusten, die während der Nutzung auftreten, altern Li-Ion-Akkus mit der Zeit. Beim Kauf sollte deshalb auf das Herstellungsdatum geachtet werden, in der Regel haben diese Akkumulatoren eine Lebensdauer von etwa fünf Jahren. Es lohnt sich also nicht, Lithium-Ionen-Akkus auf Vorrat zu kaufen.

Li-Ion-Akkus sollten nicht über Raumtemperatur gelagert werden, mit einem Ladestand von 30 bis 40 Prozent treten die geringstem irreversiblen Kapazitätsverluste auf. Die Selbstentladung ist gering, so dass es in der Regel ausreichend ist, alle sechs Monate nachzuladen, um eine Tiefentladung zu vermeiden.

Hinweise zu Nickel-Metallhydrid- und Nickel-Cadmium-Akkus

Nickel-Cadmium(NiCd)- und Nickel-Metallhydrid(NiMH)-Akkus sind von ihrem Aufbau her fast identisch. Sie sind alterungsbeständig, allerdings anfällig für den Memory- beziehungsweise Lazy-Effekt. Diese Effekte treten auf, wenn die Akkumulatoren bereits wieder aufgeladen werden, wenn sie nur teilweise entladen sind. Sowohl die verfügbare Kapazität als auch die nutzbare Spannung nehmen dann ab. Es tritt jedoch keine langfristige Schädigung der Akkumulatoren auf, durch vollständiges Entladen und Wiederaufladen werden sie wiederhergestellt. Die Bezeichnung Memory-Effekt bezieht sich auf NiCD-Akkus, während der Lazy-Effekt bei NiMH-Akkus auftritt. Nickel-Metallhydrid-Akkus sollten dennoch nur teilentladen werden, denn zu hohe Zyklentiefen können irreversible Kapazitätsverluste zur Folge haben. Um dem Lazy- beziehungsweise dem Memory-Effekt entgegenzuwirken, ist es ausreichend, den Akkumulator alle drei Monate komplett zu entladen.

Werden NiCD- oder NiMH-Akkus gelagert, liegt die Selbstentladung bei etwa 25 Prozent pro Monat. Eine Ausnahme bilden LSD-NiMH-Akkus, bei denen die Selbstentladung viel geringer ist. Die Temperatur beeinflusst den Prozess bei Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus: Je wärmer es ist, umso höher fällt die Selbstentladung aus. Die Akkumulatoren sollten am besten bei Zimmertemperatur und trocken gelagert werden, die Umgebungstemperatur nicht über 30 °C liegen. Außerdem sollten die Akkus nicht vollständig entladen gelagert werden, bei einem Ladestand ab 10 Prozent verkürzt sich die Lebensdauer nicht. Wird ein Gerät mit NiCD- oder NiMH-Akku über einen längeren Zeitraum nicht benutzt, sollte der Akkumulator entnommen werden, falls dies möglich ist.2

Wechsel-Akkumulatoren für E-Autos

Im Rahmen der deutschen Energiewende wird unter anderem auf die Etablierung von E-Autos gesetzt. Bisher dauert das Laden dieser Fahrzeuge noch eine ganze Weile, selbst an einer Schnellladestation braucht es rund 40 Minuten. Deshalb arbeiten diverse Unternehmen an neuen Konzepten, eines davon ist der Wechsel-Akku. Die Idee dazu stammt von dem früheren SAP-Manager Shai Agassi, dessen Projekt dazu jedoch nicht erfolgreich verlief.

Aufgegriffen wurde das Konzept zum Beispiel von dem chinesischen Unternehmen Nio, das eine eigene Infrastruktur installieren möchte. Dessen Wechselstation „Power Swap“ erinnert an eine Garage und arbeitet vollautomatisch: Die Batterie des E-Autos ist im Unterboden untergebracht, sie wird zunächst entfernt, danach wird ein vollständig geladener Akku eingesetzt. Die ganze Prozedur soll weniger als fünf Minuten dauern. Der entnommene Akku wird in der Station wiederaufgeladen und später in ein anderes E-Auto eingesetzt.

Auch Tesla arbeitet an Wechselstationen für Akkumulatoren. Das Konzept von Tesla sieht Hebebühnen vor, um den Akku zu wechseln. Der Austausch soll ebenfalls vollautomatisiert ablaufen, allerdings dauert er mit 15 Minuten doch deutlich länger als bei Nio. Ein Nachteil beider Konzepte ist allerdings, dass sie nur für die eigenen Marken gedacht sind, E-Autos anderer Hersteller müssten weiterhin Ladestationen nutzen.

Bereits etabliert ist das Wechsel-Akku-System bei Elektrorollern der taiwanesischen Firma Gogoro. Der Austausch geht in Sekundenschnelle, bisher gibt es das System aber nur in Taiwan, das Unternehmen ist aber an einer Ausweitung auf den deutschen Markt durchaus interessiert: In Berlin gibt es die Roller bereits als Sharing-Fahrzeuge.3 

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