Akkus

Akkus, auch bekannt als Akkumulatoren oder wiederaufladbare Batterien, sind elektrische Batterien mit einer oder mehreren elektrochemischen Zellen. Ein Akku sammelt bzw. akkumuliert Energie und zählt zu den sogenannten Sekundärzellen. Das kommt daher, dass ein Akku in der Lage ist, elektrochemische Reaktionen elektrisch umzukehren. Eine Primärzelle hingegen ist eine Batterie, die nach der Entladung nicht mehr verwendet werden kann. Akkus sind in zahlreichen verschiedenen Formen erhältlich und decken eine Unmenge unterschiedlichster Anwendungen ab, von kleinen Geräten wie Kameras und Taschenlampen über größere Varianten in Fahrzeugen bis hin zu ganzen Systemen für Megawatt-Anlagen, darunter ganze Kraftwerke und Stromverteilzentren.

 

Die Geschichte: Ein kurzer Exkurs

Im Jahre 1749 benutzte Benjamin Franklin zum allerersten Mal den Begriff „Batterie“ zur Beschreibung einer Reihe an miteinander verknüpften Kondensatoren, die er für Experimente mit Elektrizität verwendete. Fünfzig Jahre später entdeckte der italienische Physiker Graf Alessandro Volta den elektrochemischen Reaktionsprozess, als er eine simple Batterie mit in Lauge getauchter Pappe bzw. Papier und zahlreichen Metallplatten erschuf. Von da an ist es Wissenschaftlern gelungen, Voltas ursprünglichen Aufbau umfassend zu verbessern und somit Batterien aus zahlreichen verschiedenen Materialien in den unterschiedlichsten Größen herzustellen.

Im Laufe der darauf folgenden 100 Jahre entwickelten zahlreiche Wissenschaftler die unterschiedlichsten Energiespeichervorrichtungen und tauften ihre Erfindungen oftmals auf ihren eigenen Namen. So erfand Gaston Planté im Jahre 1859 den ersten Akku, indem er einen umgekehrten Strom durch eine Bleisäure-Batterie leitete. Eine Bleisäure-Zelle besteht aus einer Bleidioxid-Kathode, die in Schwefelsäure eingetaucht ist, und einer Blei-Anode. Bei der Reaktion der Elektroden mit der Säure, in Folge derer die Blei-Anode Elektronen abgibt, die das Bleidioxid wiederum sofort verschlingt, entsteht Bleisulfat. Auf diese Weise wird Strom erzeugt. Planté erkannte, dass er die Batterie wieder aufladen konnte, indem er den Strom in die umgekehrte Richtung fließen ließ, da somit auch die chemischen Reaktionen in umgekehrter Reihenfolge ablaufen.

Bis Ende des 20. Jahrhunderts wurden Batterien weiterhin mit vielen verschiedenen Materialien gefertigt, darunter Nickel-Kadmium (NiCd), Lithium-Ionen (Li-Ion), Nickel-Metall-Hybrid (NiMH) und Lithium-Ionen-Polymer (Li-Ion-Polymer) sowie Bleisäure. Der erste Prototyp einer Lithium-Ionen-Batterie geht zurück auf das Jahr 1985: Er war nichts anderes als eine wiederaufladbare Version der bereits bekannten Lithium-Batterie, war dazu jedoch wesentlich robuster. Sony kommerzialisierte die Lithium-Ionen-Batterie im Jahr 1991. Sechs Jahre später, 1997, gilt die Lithium-Ionen-Polymer-Batterie dank ihrer besonders flexiblen Gestaltung und ihrer hohen Energiedichte bereits als erste Wahl für tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone und Palmtop-Computer. Zehn Jahre später entwickelte das Department of Materials Science and Engineering der Stanford University die sogenannte Nanodraht-Batterie. Etwa zur selben Zeit erscheint eine hauchdünne, flexible und selbst-aufladbare Batterie, bei der eine extrem dünne und ausgesprochen flexible Lithium-Polymer-Batterie mit einer organischen Dünnschicht-Solarzelle verknüpft wird. Diese Batterie lädt sich selbst auf, sobald sie mit Licht in Kontakt kommt.

Die derzeitigen Entwicklungsarbeiten rundum das Thema Akku konzentrieren sich hauptsächlich auf das Potenzial von Natrium-Schwefel und Lithium-Schwefel als besonders preiswerte Lösung mit geringen Auswirkungen auf die Umwelt und – so Wissenschaftler – mit einem vierfach höheren Energiespeicherkapazität als Lithium-Ionen-Batterien.

 

Autobatterie-Ladegerät

Akkus für Fahrzeuge werden im Englischen oftmals als SLI-Batterien bezeichnet (Starter, Lighting und Ignition), im Deutschen spricht man hingegen vielmehr von Starterbatterien. Bei manchen Fahrzeugen kommen mitunter auch spezielle Batterien zum Einsatz – so verfügen beispielsweise bestimmte Modelle von Porsche über eine Lithium-Ionen-Batterie –, während seit 2008 Fortschritte in der Batterie-Technologie das Interesse an Elektrofahrzeugen neu entflammen ließen: Diese Fahrzeuge können zu Hause und – zumindest in manchen Fällen – über ein Netzwerk an Ladestationen geladen werden. Autobatterien werden normalerweise automatisch aufgeladen, wenn das Fahrzeug gefahren wird, doch manchmal können auch Fehler auftreten, sodass sich die Batterie entlädt und ein Autobatterie-Ladegerät benötigt wird.

Die modernsten intelligenten Ladegeräte für Autobatterien sind bereits in der Lage, das Fortschreiten des Ladevorgangs zu überwachen und den Ladestrom entsprechend anzupassen um Schäden zu verhindern. Dabei können sie den Strom aus einer herkömmlichen Steckdose aufnehmen und die Batterie innerhalb weniger Minuten auf ein Mindestmaß laden. Die besten Ladegeräte für Autobatterien haben zudem mehr als einen Lademodus und können die jeweilige Batterie entweder auf ein gewisses Mindestmaß bringen oder vollständig aufladen. Daneben sind auch Notfallgeneratoren erhältlich, die eine entladene Batterie über die 12-Volt-Buchse im Fahrzeuginneren laden können.

 

Solarladegeräte

Ein Solarladegerät wandelt die Energie des Sonnenlichts in Gleichstrom (DC) um – d. h. in einen elektrischen Strom, der im Gegensatz zu Wechselstrom (der seine Richtung ständig ändert) lediglich in eine Richtung fließt. Solarladegeräte sind in aller Regel mobile Geräte, können aber auch fest installiert sein, zum Beispiel bei Anwendungen mit Solarmodulen. Oftmals sind Solarmodule an ein elektrisches Netz angeschlossen, während mobile Solarladegeräte vielmehr netzunabhängige Geräte sind und beispielsweise auf Booten, in Autos, Wohnmobilen oder sonstigen Freizeitfahrzeugen zum Einsatz kommen.

Die meisten tragbaren Solarladegeräte entnehmen ihre Energie ausschließlich aus dem Sonnenlicht, manche von ihnen können jedoch auch mit etwas schwächerem Licht – sprich: bei bedeckten Wetterverhältnissen – betrieben werden. Solarladegeräte werden in den allermeisten Fällen zur sogenannten Erhaltungsladung eingesetzt: Dabei sorgt das Ladegerät dafür, dass die Batterie vollständig geladen bleibt, indem der Ladestrom gleich der Selbstentladung ist. Je nach ihrer Leistungsfähigkeit können manche Solarladegeräte Batterien jedoch auch vollständig von Grund auf laden.

 

Wiederaufladbare AA-Batterien

Batterien sind in unzähligen verschiedenen Größen erhältlich, die für sich selbst wiederum unterschiedliche Bezeichnungen tragen und von Region zu Region variieren können. In Europa messen wiederaufladbare AA-Batterien 14,5 mm im Durchmesser und 50,5 mm in der Länge. Zu den ersten wiederaufladbaren Batterien zählten mitunter Nickel-Kadmium (NiCd) Akkus, die aufgrund ihrer relativ geringen Kapazität und der geplanten Aussortierung des Schwermetalls Kadmium aus Verbrauchergeräten heutzutage jedoch kaum mehr verwendet werden.

Die leistungsstärksten, wirtschaftlichsten und am besten erhältlichen Akkus sind aktuell Nickel-Metall-Hybrid (NiMH) Akkus, die sich insbesondere unter Fans digitaler Photographie ausgesprochen hoher Beliebtheit erfreuen. Sie verfügen über eine dreimal höhere Kapazität als ältere NiCd-Versionen und bieten bei Anwendungen mit hoher Stromaufnahme eine zehnfach bessere Leistung als Alkaline-Batterien. Ein Satz aus vier wiederaufladbaren AA-Batterien kostet bloß ein paar Euro und kann zudem sehr schnell aufgeladen werden.

 

Kamera-Batterien

Ein Satz wiederaufladbarer Batterien für eine Digitalkamera kann sich als besonders wertvoll erweisen, insbesondere im Fall von NiMH AA-Batterien. Sie sind herrlich preiswert und können mehrere Hundert Ladevorgänge mitmachen, bevor sie auszutauschen sind. Somit stellen diese Akkus eine wesentlich kostengünstigere und umweltfreundlichere Lösung dar, als permanent Einwegbatterien kaufen zu müssen. NiMH-Batterien mit einer Kapazität von mindestens 2000 mAh liefern maximale Betriebsdauer, und je höher das Rating, desto leistungsfähiger ist die Batterie. Allgemein gilt, dass die maximale Kapazität einer wiederaufladbaren AA NiMH-Batterie in etwa bei 2850mAh liegt.

Auf lange Sicht ist es dabei besser, die Akkus nach einer Fotosession komplett entladen zu lassen, bevor sie wieder aufgeladen werden. Diese Vorgehensweise hilft, die Betriebsdauer von Kamera-Akkus zu maximieren. Zahlreiche Hersteller empfehlen Lithium-Ionen AA-Akkus (Li-Ion), die mit Sicherheit eine hohe Leistungsfähigkeit aufweisen können.

 

Wichtige technische Elemente

Starterbatterien, d.h. die Batterien, die allgemein in Fahrzeugen verwendet werden, sind in aller Regel sogenannte Bleisäure-Batterien mit sechs galvanischen Zellen in einer Reihe für ein 12-Volt-System. Dabei liefert jede Zelle 2,1 Volt, sodass die Batterie bei vollständiger Ladung insgesamt 12,6 Volt liefern kann. Besonders schwere Fahrzeuge, darunter Traktoren und LKWs, verfügen oftmals über einen Dieselmotor und entweder zwei in Reihe geschaltete Batterien für ein 24-Volt-System, oder über parallel geschaltete Batterien.

Solarladegeräte verwenden Solarenergie um Batterien aufzuladen, und sind in der Regel mobile Geräte. Dabei können sie neben Bleisäure-Batterien auch Ni-Cd-Batterien mit einer Kapazität von mehreren Hundert Ampere-Stunden (z. B. bis zu 400 Ah) und einer Spannung von bis zu 48 Volt laden. In aller Regel werden „intelligente“ Ladesteuerungen eingesetzt, die aus einer Reihe an separat auf einem Dach oder ähnlichem installierten Modulplatten bestehen, die wiederum mit einer Reihe an Batterien verknüpft werden können. Ein solcher Aufbau kann zudem mit Netzstrom-Ladegeräten verwendet werden, um tagsüber Energie zu sparen.

Eine wiederaufladbare AA-Batterie verfügt über eine einzelne elektrochemischen Zelle, die exakte Klemmenspannung und eine Kapazität, die von der chemischen Zusammensetzung der Zellen abhängt. Wiederaufladbare AA-Batterien sind in vielen verschiedenen Ausführungen erhältlich: Nickel-Kadmium (NiCd) mit einer Kapazität von 500-1100 mAh; Nickel-Metall-Hybrid (NiMH) mit Kapazitäten zwischen 1300-2700 mAh; und Lithium-Ionen. Letztere bieten eine Nennspannung von 3,6 Volt und werden auch als 14500 Li-Ion-Batterie bezeichnet. Mehr als 50 Prozent aller Batteriekäufe weltweit drehen sich um AA-Batterien.

Während Digitalkameras im Laufe der Zeit immer kleiner wurden, werden auch kleinere und zugleich leistungsstärkere Batterien benötigt. Die am weitesten verbreiteten Batterien sind nach wie vor AA-Batterien, sowohl in Form von Einwegbatterien als auch in Form von Akkus; doch auch AAA-, CR2- und CR-V3-Batterien kommen in einigen wenigen Kameras zum Einsatz. CR2- und CR-V3-Batterien basieren auf Lithium und sind für den einmaligen Gebrauch vorgesehen – anders ausgedrückt: sie lassen sich nicht wieder aufladen. Darüber hinaus sind auch spezielle Akkus im Umlauf, die direkt nach den individuellen Anforderungen des jeweiligen Kunden gefertigt werden. Nahezu alle dieser speziellen Akkus basieren auf Lithium-Ionen.

 

Wie Batterien funktionieren: eine wissenschaftliche Darstellung

Einfach ausgedrückt sind Batterien mobile Stromquellen, mit deren Hilfe viele moderne Elektrogeräte verwendet werden können. Ihre Funktion basiert darauf, dass sie elektrische Energie speichern können.

Elektrische Energie bzw. Elektrizität beschreibt den Fluss von Elektronen durch einen leitfähigen Pfad – auch Schaltkreis genannt. Dieser Pfad ist oftmals ein einfaches Kabel. Wird eine Batterie an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen, werden drei separate Elemente aktiviert. Hierzu zählen: eine Anode (mit einem (-)-Symbol), eine Kathode (mit einem (+)-Symbol) und der Elektrolyt. Chemische Reaktionen innerhalb einer Batterie führen dazu, dass Elektronen sich an der Anode ansammeln. Demzufolge besteht ein gewisser elektrischer Unterschied zwischen der Kathode und der Anode, sodass die Elektronen stets versuchen, die Anode zu verlassen und über den Schaltkreis (bzw. das Kabel) zur Kathode zu gelangen, während sie auf dem Weg dorthin jedes angeschlossene Objekt – zum Beispiel eine Glühbirne – aktivieren. In einer Batterie ändern die elektrochemischen Prozesse die Chemikalien in der Kathode und der Anode jedoch, um somit den Fluss der Elektronen zu begrenzen. Aus diesem Grund ist auch die verfügbare Energiemenge einer Batterie begrenzt.

Wird eine Batterie wieder aufgeladen, wird auch die Flussrichtung der Elektronen aufgrund der externen Stromquelle (z. B. Solarladegerät) geändert. Die elektrochemischen Prozesse laufen dabei sozusagen rückwärts ab, sodass Kathode und Anode wieder in ihren ursprünglichen Zustand versetzt werden und somit auch wieder in der Lage sind, ihre volle Leistung abzurufen.

 

Die Sicht der Hersteller

Die nationale Handelsvereinigung für die Industrie tragbarer Batterien im Vereinigten Königreich und in Irland ist die sogenannte British Battery Manufacturers Association (BBMA). Im Hinblick auf Europäische und aus dem Vereinigten Königreich stammende Verordnungen umfasst die Europäische Batterierichtlinie eine aktuelle Sammlung an Richtlinien, mit dem Ziel, die Umweltleistung und -verträglichkeit von Akkus und Batterien zu verbessern. Ein wesentlicher Punkt auf dem Weg dorthin besteht darin, Sammel- und Recyclingziele für tragbare Batterien festzulegen.

Am 5. Mai 2009 traten die Verordnungen aus dem Vereinigten Königreich in Kraft, die diese Anforderungen im Gesetzestext des Vereinigten Königreichs verankern. Mit ihnen wurde eine ganze Reihe wichtiger neuer Maßnahmen eingeführt, die unter anderem die Hersteller von Batterien für das Sammeln und Recyceln von Batterien in die Pflicht nehmen, und Sammelziele von 25 Prozent bis 2012 und 45 Prozent bis 2016 festlegen.

Die BBMA ist weiterhin bemüht, branchenbezogene Interessen relevanter Interessensgruppen und der Regierung gleichermaßen zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass alle Hersteller an einem Strang ziehen, um diese Ziele zu erreichen und das Bewusstsein der Verbraucher in Sachen Recycling zu fördern.

Seit Februar 2010 sind neue Verordnungen für Batterievertriebe in Kraft. Diese betreffen Händler, die Batterien im Gewicht von 32kg oder mehr pro Laden bzw. Internet-Plattform oder ähnliches verkaufen. Diese neuen Verordnungen sind Teil der Batterierichtlinien, die unter anderem auch die Sammelstellen gebrauchter Batterien betreffen.

Im Vereinigten Königreich sind sechs Batteriesammelanlagen (sogenannte Battery Compliance Schemes, BCSs) verfügbar, die sich im Auftrag großer Hersteller um das Sammeln, Aufarbeiten und Recyceln von Batterien kümmern. Bei diesem Hersteller handelt es sich um all die Firmen, die pro Jahr mehr als eine Tonne an tragbaren Batterien im Vereinigten Königreich auf den Markt bringen.