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Edit v2.010 from 2006-03-12 to 2013-11-28 by AZu+HSc
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,
- das Laden, besonders das 1. Mal,
- das Benutzen und
- zum Schluss die Entsorgung.
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.
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- Handling von Akkus.
-
Der
Innenwiderstand in einer Akku-Zelle.
Kann man durch Belasten des Akkus mit einen äußeren
Widerstand ermitteln.
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Die verschiedenen Akkumulatoren lassen sich unterscheiden in
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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.
-
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.
-
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.
-
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!
-
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.
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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
-
Sinken der Spannung am den Akku-Polen oder -Klemmen UKlemme
bei Stromentnahme.
Ein typisches Beispiel: Man lädt einen Akku voll, legt ihn ein
und das Gerät meldet "Akku nur noch halb voll". Schon!
Ursache: Gerät entnimmt Strom I,
dieser muss den Innenwiderstand RI überwinden und
dafür wird ein Teil der Akku-Spannung UAkku benötigt.
Beträgt dieser Bedarf mehr als 8% kann dies eine 6teilige Anzeige
durch das Fehlen von einem Segment anzeigen.
Im Neuzustand liegt diese Differenz unter 2% und
kann nicht angezeigt werden.
-
Sofortiges Steigen der Spannung am den Akku-Polen oder -Klemmen
UKlemme,
nachdem man keinen Strom mehr entnimmt.
Ohne Stromfluss wird auch keine Spannung mehr verbraucht.
Misst man die Spannung an den Klemmen des Akkus UKlemme,
wird man den Wert der Akku-Spannung UAkku erhalten.
Legt man diesen Akku in das Ladegerät wieder ein,
meldet dieses nach 1 Minute Akku zu 100% geladen. So schnell!
-
Langsames (3 bis 12 Sekunden) Steigen der Spannung an den Akku-Klemmen
UKlemme,
nachdem man viel und lange Strom versucht hat zu entnehmen.
Durch die zuvorrige Stromentnahme I mit ihrem Spannungsbedarf
UAkku-UKlemme wurde eine Leistung P=U*I erzeugt und
diese im Akku in Wärme umgewandelt.
Aber eigentlich wurde diese Leistung am Gerät erwartet!
Die Zellspannung im Akku sinkt mit steigender Temperatur über
der Betriebstemperatur und
steigt beim Abkühlen, relativ langsamer Prozess, auch wieder an.
Tritt einer der 3 Wirkungen auf,
ist der Akku verbraucht und man sollte ihn fachgerecht entsorgten!
Ermitteln des Innenwiderstandes

Abb. 1a: Schaltbild des Innenwiderstandes
Zum Ermitteln des Innenwiderstand eines Akkus,
baut man einen Reihenschaltung aus Widerständen auf.
Einer ist im Akku, der Innenwiderstand R I,
und einer ist außen angeschlossen und
bekommt den Namen Lastwiderstand R L.
Es werden zwei Betriebsfälle unterschieden:
-
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.
-
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
Als Last wählt man einen Widerstand RL,
der den Akku nicht überlastet.
Ein Richtwert geht davon aus,
dass wenn der Akku geladenen ist,
er an diesen Widerstand angeschlossen ist,
er seine Ladung Q in 10 Stunden abgibt.
D.h. der Lastwiderstand soll
RL ≥ U0 / Q * 10h
nicht unterschreiten.
Edit v0.100 from 2006-03-12 to 2006-03-12 by H. Schärfer
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.
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Skizze:
Bild: 1a0: Messschaltung zur Ermittlung des Innenwiderstandes am
Akkumulator
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Gegeben:
- Ein Akku mit NiMH−Technologie.
- Im Akku ist 1 Zelle.
-
Die Zellspannung beträgt UZ=1,2V und
ist gleich der Akkuspannung.
- Die ladbare elektrische Kapazität beträgt Q=600mAh.
Gesucht:
-
Welche Werte haben die Widerstände R der E6−Reihe laut
Nachschlagewerk.
-
Welcher Widerstand hätte den minimalen Wert für den Einsatz
als Lastwiderstand RL,
ohne die Entladezeit von 10 Stunden zu unterschreiten.
- Wie hoch ist die Leerlaufspannung U0 in V.
-
Die beim Anschluss des Lastwiderstandes RL
sich einstellende Lastspannung UL in V und
der durch ihn, den Lastwiderstand RL,
hindurchfließende Strom I in mA.
- Der Innenwiderstand RI in Ω.
|
Formel:
RL ≥ U0 / Q * 10h
RI = RL*(U0/UL-1)
|
Lösung:
-
Laut E6−Reihe gibt es die
6 Nennwerte
10, 15, 22, 33, 47 und 68Ω für Widerstände im Bereich
von 10 bis 99Ω.
-
Zulässig ist laut der 10 Stunden−Regel ein Wert von
RL ≥ 20Ω = 1,2V/600mAh*10h
größer gleich 20Ω.
Gewählt wurde 22Ω.
-
Die Gemessen wurde,
ohne Belastung des Akkus.
die Leerlaufspannung mit U0 = 1,2V.
-
Gemessen wurde unter Last
- eine Lastspannung UL = 0,8V und
- ein fließender Strom I = 36mA.
-
Der Innenwiderstand des Akkus ergibt sich damit zu
RI = 22Ω * ((1,2V/0,8V)-1) = 11Ω
|
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)
- die Zellspannung des Akkus und
- deren Möglichkeit Energie auf- und abzugeben
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 |
PbSO4 + 2 H+ + 2 e-
PbSO4 + 2 H2O
|
PbO2 + 2 H+ + H2SO4 +
2 e-
|
Basiert auf einem Elektrolyt aus
- Schwefelsäure H2SO4 und
- gelösten Salz PbSO4, mit Namen Bleisulfat.
In diesen Elektrolyt sind die beiden Elektrode
- Kathode (-), bestehend aus reinen Blei Pb, und
- Anode (+), bestehend aus Bleioxid Pb02,
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

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

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.
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