accu00b0.png

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Akkumulatoren und Batterien

Werden Akkus laut Vorschrift behandelt, können sie viele Hundert Male benutzt werden und verrichten ihren Dienst. Wenn nicht, foppen Sie einen. Was muss man beachten? Gewusst wie, Dann hat man auch Freude an ihnen.

Die Geschichte von Akkus begann in etwa mit der Einführung der Elektrizität. Da die Erzeugung und der Verbrauch der elektrischen Energie zeitgleich erfolgen musste, bestand der Wunsch diese zwischen zu speichern, um sie bei Bedarf wieder abzugeben. Dieses Problem wurde durch die Entwicklung von Akkus gemildert. Denn wenn elektrische Energie vorhanden ist, kann ich den Akku aufladen, also diese in chemische Energie umwandeln, so das sie Speicher bar wird. Wenn die Energie wieder gebraucht wird, kann diese durch eine chemische Reaktion wieder zur Verfügung gestellt werden.

Die verschiedenen Akkumulatoren lassen sich unterscheiden in

Handling

Akku ist die Kurzbezeichnung für den Akkumulator.
Ihre Aufgabe ist elektrische Energie zu speichern und wenn Bedarf besteht, diese wieder ab zugeben. Eine weitere Aufgabe ist es die sogenannten Primärzellen* zu ersetzen, Kosten zu sparen und die knappen Ressourcen zu schonen.
Und um diese Aufgabe gerecht zu werden, sind diese entsprechend zu behandeln.

Dazu einige wichtige Hinweise, gültig vor allen für NiCd, NiMH- und Li−Ionen-Zellen.

  1. Die ersten Ladung wird auch Formierung genannt. Dabei erhält der Akku
    • neben seiner Ladung,
    • auch den entgültigen chemischen Aufbau.
    Deshalb dauert dies länger als eine der folgenden Ladungen des Akkus. Die durchgeführte Formierung ist entscheidend für die Eigenschaften (Kapazität, Innenwiderstand) des Akkumulators.
  2. Zu einem Verbund sollten Sie nur gleiche Akkus zusammen schließen. Die schwächste Zelle bestimmt das Verhalten des ganzen Verbundes. Sie ist auch jene, welche bei einer Entladung über das vorgesehene Maß hinaus , Tiefentladen wird!
    Ist eine Zelle im Verbund Tiefentladen, kann der Verbund, obwohl alle außer die eine Zelle voll geladen sind, nicht die volle Spannung erreichen. Damit würde das 08/15-Ladegerät den Akkuverbund weiter laden, bis die Zeitsicherung in Kraft tritt. Damit werden Zellen die bisher gut zu laden waren und damit voll sind, überladen. D.h. jetzt sind dann schon 2 Zellen defekt.
  3. Nach der letzten Benutzung sollte der Akku dort abgegeben werden, woher er bezogen wurde. Oder bei analogen Möglichkeiten.
    Warum? Der Inhalt von Akkus ist nicht Ohne!
  4. Die Ökonomie des Ladens kann wesentlich verbessert werden, wenn man Austauschgruppen von Akkus mit
    • gleicher Technologie und
    • Gehäuseform
    bildet. Diese Akkus haben in ihrer Gruppe
    • den gleichen Ladezustand und
    • die gleiche Kapazität
    und bilden einen Verbund. Wie funktioniert diese Ökonomie?
    • Es gibt ein ständig ladendes Gerät, wie zum Beispiel Schurlostelefone, Alarmanlagen, usw., welches einen solchen Akku−Verbund bedarf und diesen ständig geladen hält.
    • Und es gibt Geräte, welche einen solchen Akku−Verbund nur benutzen und dabei entladen.
    Wenn nun bei Bedarf der leere Akku−Verbund aus dem Gerät, welches diesen nur entladen hat, durch den geladenen Akku−Verbund des ständig ladenen Gerät ausgetauscht wird, benötigt dieser Akku−Verbund keine separate zusätzliche Ladung! Bevor der leere Akku−Verbund in das ständig ladende Gerät eingelegt wird, sollten die Akkus des Verbundes auf das gleiche Level von Ladung gebracht werden. Dazu kann man das kontrollierte Entladen, Anladen bzw. Kapazität messen, welches von guten Ladegeräten angeboten wird, nutzen.

Innenwiderstand

Jedes Gerät welches eine Spannung liefert, wie auch ein Akkumulator, besitzt auch einen Innenwiderstand. Dieser ist in der Regel so klein, das er im normalen Betrieb kaum in Erscheinung tritt . Mit jeder Benutzung ändert dieser seinen Wert und dies um so schneller, je unsachgemäßer die Behandlung des Gerätes erfolgt!

Die Wirkung eines zu hohen Innenwiderstandes in einem Akkumulator zeigt sich durch ein Verwirrspiel mit

Tritt einer der 3 Wirkungen auf, ist der Akku verbraucht und man sollte ihn fachgerecht entsorgten!


Ermitteln des Innenwiderstandes

ri01a.gif Abb. 1a: Schaltbild des Innenwiderstandes
Zum Ermitteln des Innenwiderstand eines Akkus, baut man einen Reihenschaltung aus Widerständen auf. Einer ist im Akku, der Innenwiderstand RI, und einer ist außen angeschlossen und bekommt den Namen Lastwiderstand RL.
Es werden zwei Betriebsfälle unterschieden:
  1. Der Lastwiderstand RL ist nicht angeschlossen.
    D.h. es fließt kein Strom und damit kein Spannungsabfall. Die gemessenen Spannung UPol an den Akkuklemmen ist die reine Spannung der Akkuzelle und hat den Beinamen "Leerlaufspannung" U0.
  2. Der Lastwiderstand RL ist angeschlossen.
    Es fließt ein Strom I und damit fällt auch eine Spannung UI im Akku am Innenwiderstand RI ab. D.h. es wird eine Spannung UPol an den Akkuklemmen gemessen die kleiner als die Leerlaufspannung U0 ist. Diese nennt man auch, die Spannung bei Anliegen einer Last UL. Aus dem Spannungsabfall, dividiert durch den fließenden Strom, ergibt sich der Innenwiderstand RI.
RI = (U0 - UL) / I (1)
Durch Herausziehen der Lastspannung aus der Klammer und Division durch den fließenden Strom, kommen Sie auf folgende Formel, nach welcher sie statt den Laststrom den Lastwiderstand messen können.
RI = (U0/UL-1)* UL/I = (U0/UL-1)* RL = RL*(U0/UL-1) (2)

Lastwiderstand


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Praxis

Aufgabe: Ein NiMH-Akku R6 mit 1,2V/600mAh soll überpüft werden, da man vermutet das er seine Leistung nicht mehr bringt. Als Lastwiderstände sind die Werte der E6−Reihe zwischen 10 und 100Ω zur Verfügung.
Skizze: ri01b0.png
Bild: 1a0: Messschaltung zur Ermittlung des Innenwiderstandes am Akkumulator
Gegeben:

Gesucht:
Formel:
RL ≥ U0 / Q * 10h
RI = RL*(U0/UL-1)
Lösung:
Antwortsatz:
Der Innenwiderstand RI beträgt 11Ω und ist viel zu hoch. In diesem Beispiel verbraucht der Akku 11Ω/(22Ω+11Ω)*100% = 33% seiner abzugebende Energie für die eigene Erwärmung. Und das, wenn er in 10 Stunden durch Nutzung, entladen wird.

Technologien der Energiespeicherung

Die einzelnen Akkumulatoren unterscheiden sich in der Art und Weise der Speicherung der elektrischen Energie, d.h durch ihre Technologie. Die Technologie der Energiespeicherung gibt (/117/, S. 101: Elektrochemische Spannungsquellen) vor!
Technologie Er-
schein-
ungs-
jahr
Ladeschluss-,
Zell- und
Entladeschluss-spannung in V
Energie-
dichte
in mWh/cm3
Zyklen-
festigkeit
in Anzahl
Selbst-
entladung
in %/Monat
Hoch-
strom-
fähigkeit

in C
Schnell-
lade-
fähigkeit

in hh:mm
Alkaline -
1,50
-
Blei 1881 2,30
2,00
1,63
< 3xC
Blei−Gel 1940 2,30
2,00
1,80
< 3xC
Lithium-Ionen
Li−Ion
1990 -
3,60
2,50
0,218 500-1.000 5...10 Nein 2:00
Nickel Cadmium
NiCd
1901 1,35
1,20
1,00
0,102 1.000 10...20 Ja 0:10
Nickel Metalhydrid
NiMH
1988 1,35
1,20
1,00
0,145 1.000 20...25 < 1xC 1:00
Silberoxid/Zink
(Batterie)
-
1,55
-
700 0 0,5

Was versteht man unter den einzelnen Begriffen, wie:

Elektrolyt
Die Elektronen sind diejenigen, welche im Gegensatz zum positiv geladeen Ion (z. Bsp. Wasserstoff), über die metallische Elektrode abfließen kann, da sie sich zwischen den Atomen, Molekülen und Ionen am ehesten durchschlängeln können. Das positiv geladene Ion muss in der Lösung ein passendes negativ geladenes Ion finden und die gibt's nur an der Kathode. Der Stoff in dem dies geschieht nennt man Elektrolyt. Er ist oft Flüssig, kann aber auch teigig bzw. plastisch sein.
Energiedichte
Wer eine Starterbatterie (Blei-Akku: 12V, 44Ah, 16kg ⇒ 12*44VAh/16kg=33Wh/kg) vom Auto, mal getragen hat, wünscht sich, das die selbe gespeicherte Energie in einen leichteren Akku unterzubringen sei, wo also die Energiedichte höher ist.
Entladeschlussspannung UES in V
Ist die Spannung bei deren Erreichen die Akku−Zelle leer ist und bei deren Unterschreitung derselben Schaden nimmt.
Hochstromfähig
Fähigkeit der Akku−Zelle innerhalb von 1er Stunde seine gesamte Ladung 1*C abgeben zu geben,
Ladeschlussspannung ULS in V
Ist die Spannung bei deren Erreichen der Akku seine maximale Kapazität an elektrischer Energie aufgenommen hat, die Zelle voll und der Ladevorgang somit abgeschlossen ist. Bei einer Überschreitung der Spannung wird versucht mehr Energie in den Akku zu speichern als dieser aufnehmen kann. Diese Energie wird im inneren in Wärme umgewandelt und der Akku versucht sie wieder abzugeben. Wenn nicht fängt das Elektrolyt an zu kochen und der Akku könnte platzen. In jedem Fall wird der Akku bleibend geschädigt.
Memoryeffekt
Dieser gefürchtete Effekt tritt ein, wenn man seinen Akku nicht vollständig bis zur Entladeschlussspannung entlädt, bevor man ihn wieder lädt. Seine Wirkung ist folgende. Der Akku "merkt" sich es wird weniger Energie verwendet als er eigentlich zur Verfügung stellen kann und dadurch stellt er nur noch die geringere Menge an Energie zur Verfügung und die Kapazität des selbigen scheint kleiner zu werden. Zu Beginn ist dieser Effekt noch "heilbar" wenn man Ihn bemerkt muss man die Zellen dann aber konsequent bis zur Entladeschlussspannung herunterladen. Sonst nimmt der Akku dauerhaften Schaden
Nennkapazität C in Ah
Das ist die Menge an Strom mal Zeit die er, nach dem er vollständig aufgeladen worden ist, abgeben kann, wenn man ihn dafür 20 Stunden Zeit einräumt. Der optimale Lastwiderstand RL wäre RL = UZ/(CTheoretisch/20h)
Schnellladefähigkeit
Wenn der Akku das unterstützt, kann er gefahrlos mit mehr als 0,75*C geladen werden. Angegeben wird die Zeit, die man dem Akku geben muss, um 75% der Energie aufzunehmen. Versucht man es schneller, kann der Akku die elektrische Energie nicht in chemische Energie, sondern nur in Wärmeenergie umwandeln, fängt an zu kochen und kann damit platzen.
Selbstentladung
Als wenn ein Akku undicht wäre, beantwortet diese Zahl, nach welcher Zeit sich wie viel Prozent der Energie, des zuvor voll geladenden Akkus, sich verflüchtigt hat.
Deshalb sollte man auch die Akkus erst 1-2 Tage vor ihrem Einsatz laden. Das nach ihrem Einsatz zu tun, garantiert nicht das diese in 2 Monaten immer noch die zuvor geladene Energie haben.
Zellspannung UZ in V
Ist die Spannung, welche die Akku−Zelle bei Benutzung dem elektrischen Verbraucher (Handy, Schrauber, Taschenlampe, usw.) anbietet, bis seine gespeicherte Energie abgegeben worden ist. Erkennbar daran, das die Zellspannung, die Entladeschlussspannung erreicht hat.
Zyklenfestigkeit
Wie oft kann ich den Akku laden, entladen, bis seine durch ihn speicherbare Energie auf 70,7%, gegenüber dem Neuzustand, gesunken ist.

Blei-Akkumulator

Die Bleitechnologie ist die älteste regenerative Form elektrische Energie zu speichern. Eine Weiterentwicklung ist die Bleigeltechnologie. Ihr Vorteil ist, das der Elektrolyt nicht flüssig ist, sondern gelförmig vorliegt und der Akku kann damit als gasdichte und wartungsfreie Version hergestellt werden kann Trotz der Entwicklung von Lithium Ion Zellen, hat er auch noch in der heutigen Zeit seine Existenzberechtigung, weil er eine sehr hohe Belastbarkeit, wie sie in Starterbatterien von Autos gebraucht wird, hat.

K
a
t
h
o
d
e
(-)
Laden Entladen Laden A
n
o
d
e
(+)
Pb + H2SO4 arr901a.gif PbSO4 + 2 H+ + 2 e-
PbSO4 + 2 H2O arr901a.gif

PbO2 + 2 H+ + H2SO4 + 2 e-
Basiert auf einem Elektrolyt aus In diesen Elektrolyt sind die beiden Elektrode eingehängt.

Lithium−Ionen Akkumulator

Eine der neusten Generationen von Akkus ist der Lithium−Ion Akku. Er verfügt über eine höhere Energiedichte als Ni−MH Akkus und hat nicht mehr den gefürchteten Memoryeffekt. Die allerneuste Akkugeneration ist der Lithium Polymer Akku. Er beruht im Prinzip auf dem Lithium−Ion Akku mit dem Unterschied, sein Elektrolyt ist nicht an feste Formen (Zylinder) gebunden, sondern formbar. Das heißt, der Akku kann an das Gerät ein das er eingebaut oder eingelegt wird angepasst werden und nicht das das Gerät so angepasst werden muss, das die Zellen hineinpassen.


Nickel−Cadmium−Akkumulator

Die zweite Generation von Akkus waren die mit der Technologie Nickel−Cadmium. Dieser zeichnet sich ebenfalls durch eine hohe Belastbarkeit aus, wie sie zum Beispiel in einer Akkubohrmaschine gebraucht wird. Er hat aber einen gewaltigen Nachteil. Es ist der sogenannte und gefürchtete Memoryeffekt.


Nickel Metall Hydrid−Akkumulator

Die neuere Version dieser Technologie eines Akkus mit Nickelanode ist der Nickel Metall Hydrid Akku. Er zeichnet sich durch eine um ca. 100% höhere Energiedichte und den nicht mehr so stark auftretenden Memoryeffekt aus. Er ist jedoch nicht mehr so stark belastbar wie der NiCd Akku


Gehäuseformen

Ein weiterer Punkt in dem sich die Akkumulatoren unterscheiden ist in der Form der Gehäuse und damit der Möglichkeit des Einbaus zu sehen.

Bezeichnung Abmessungen in mm
Handel IEC Weitere d h l b
Lady     11,8 30,2 - -
Micro R 03 AAA, AM4, E92, LR3 10,5 44,0 - -
Mignon R 6 AA, Penlite, SP7, UM3 14,5 50,5 - -
Baby R 14 C, UM2 26,2 50,0 - -
Mono R 20 D 34,2 61,5 - -
Flach-Batterie 3R 12 - 67,0 62,0 22,0
Block-Batterie 6F 22 E - 48,5 26,5 17,5

Die Gehäuse mit ihren genormten Maßen und Kontaktstellen, ermöglichen das Einsetzen notwendigen Akkutechnologien in den entsprechenden Geräten. Beispiel dafür ist das R6-Gehäuse, wo schon Alkalien-, NiCd-, NiMH und jetzt auch Li-Ion-Technologie eingebaut wurden.



R6-Gehäuse

ghr061a.jpg Abb. R06 1a: NiCd-Akku in R6-Gehäuse mit 1,2V/600mAh
Sie ist eine der am weitesten verbreitetsten Standardbauformen im Bereich der Rundzellen. I.d.R. ist eine Akku-Zelle darin enthalten. Das metallische Gehäuse hat den Minuspol und der Kontaktknopf ist der Pluspol.

Block-Gehäuse

ghbk1a.jpg Abb. Bk 1a: NiMH-Akku im Block-Gehäuse mit 8,4V/120mAh
Ein Block besteht aus 6 bis 8 Zellen. Bei der Verwendung von Alkalien, die 1,5V als Zellspannung haben, ergab das bei 6 Zellen 9,0V. Der Block besteht bei der Verwendung von NiCd oder NiMH aus 7 Akku−Zellen a 1,2V. Trotz einer Zelle mehr, ist die um 25% kleine Zellespannung der NiMH-Technologie dafür verantwortlich, das der Block nur 8,4V erreicht.
Block-Akkus mit 8 Zellen, liefern 9,6V. Dafür sind aber Geräte die Blocks verwenden, i.d.R. nicht ausgelegt.