Akkumulatoren und Batterien

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

• Sinken der Spannung am den Akku-Polen oder -Klemmen U_Klemme 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 R_I überwinden und dafür wird ein Teil der Akku-Spannung U_Akku 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 U_Klemme, nachdem man keinen Strom mehr entnimmt. Ohne Stromfluss wird auch keine Spannung mehr verbraucht. Misst man die Spannung an den Klemmen des Akkus U_Klemme, wird man den Wert der Akku-Spannung U_Akku 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 U_Klemme, nachdem man viel und lange Strom versucht hat zu entnehmen. Durch die zuvorrige Stromentnahme I mit ihrem Spannungsbedarf U_Akku-U_Klemme 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.

1. Der Lastwiderstand R_L ist nicht angeschlossen.
   D.h. es fließt kein Strom und damit kein Spannungsabfall. Die gemessenen Spannung U_Pol an den Akkuklemmen ist die reine Spannung der Akkuzelle und hat den Beinamen "Leerlaufspannung" U₀.
2. Der Lastwiderstand R_L ist angeschlossen.
   Es fließt ein Strom I und damit fällt auch eine Spannung U_I im Akku am Innenwiderstand R_I ab. D.h. es wird eine Spannung U_Pol an den Akkuklemmen gemessen die kleiner als die Leerlaufspannung U₀ ist. Diese nennt man auch, die Spannung bei Anliegen einer Last U_L. Aus dem Spannungsabfall, dividiert durch den fließenden Strom, ergibt sich der Innenwiderstand R_I.

Lastwiderstand

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: Bild: 1a0: Messschaltung zur Ermittlung des Innenwiderstandes am Akkumulator	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

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 U_ES 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 U_LS 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 R_L 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 U_Z 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-

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.

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.