Batterien und Akkumulatoren

Wir leben heute in einer Zeit, in der Kommunikation eine immer wichtigere Rolle spielt. Nur wenige können sich dem Handy Trend widersetzen. Auch im Heimbereich ziehen immer mehr Funktelefone ein. Doch nicht nur die moderne Kommunikation verläuft heute kabellos, von immer mehr Geräten wird die störende Strippe ans Stromnetz verbannt um die Geräte mobil zu machen. Dieser Trend verlangt immer bessere Batterien oder Akkumulatoren (kurz: Akkus), welche kleiner sein sollen aber mit möglichst großer Kapazität.

1. Batterie- und Akkutypen

Chemische Batterien und Akkus lassen sich in zwei Arten von Stromquellen unterteilen. Es gibt zum einem die Primärstromquellen, zu denen die Batterien zählen. Sie werden Betriebsbereit fabriziert und sind als Wegwerfartikel zur einmaligen Entladung vorgesehen. Des weiteren gibt es Sekundärstromquellen, zu denen die Akkus gehören. Sie werden entladen produziert und müssen vor der ersten Anwendung geladen werden.
Neben den Chemischen Batterien gibt es noch physikalische Batterien zu denen zum Beispiel Solarzellen gehören. Auf den folgenden Seiten werden wie uns jedoch ausschließlich mit chemischen Batterien beschäftigen.
Batterien und Akkus bestehen aus zwei Elektroden. Der Kathode (-) und der Anode (+). Die Spannung ergibt sich aus der Potenzialdifferenz zwischen der positiven und negativen Elektrode der Zelle. Die Elektroden bestehen aus verschiedenen Materialen z.B. Zink und Kohle, welche sich in einem Elektrolyt befinden. Die Höhe der Spannung in einem solchem galvanischen Element hängt von den verwendeten Materialien ab.
Typ Bezeichnung Circa-Maße:

AAA Mikrozelle 44 mm lang, Durchmesser 10,5 mm
AA Mignonzelle 50 mm lang, Durchmesser 14 mm
C Babyzelle 50 mm lang, Durchmesser 25,5 mm
D Monozelle 60 mm lang, Durchmesser 33 mm
--- 9-V-Block 48 mm x 26 mm x 17 mm

Die Kapazität einer Batterie wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Amperestunden ist ein Produkt aus der Stromstärke (gemessen in Ampere) und der Zeitdauer (in Stunden) des Stromflusses.
Batterien und Akkus gibt es in vielen verschiedenen Bauformen. Angefangen bei den kleinen Knopfzellen für Uhren, den Mignonzellen für den CD-Player, usw. Die üblichsten
Größen sind rechts aufgeführt.

2. Grundsätzlicher Aufbau

2.1 Batterien

2.1.1 Alkali

Die Alkali (engl. Alkaline) Batterie hat sich zu einer Universalbatterie entwickelt. Trotz ihrer nahen Verwandtschaft zur Zink-Kohle Batterie besitzt sie in aller Hinsicht bessere Eigenschaften. Sie ist besonders für leistungsfähige Geräte mit hohem Energiebedarf geeignet. Alkalibatterien sind teurer als Kohle-Zink Batterien, sie sind jedoch auch viel leistungsfähiger (3 bis 5 mal), man braucht weniger oft neue, erzeugt weniger Abfall und fährt damit schlussendlich wesentlich billiger. Zudem lassen sich Alkali Batterien bis zu 5mal regenerieren. Man spricht hierbei bewusst von regenerieren und nicht von wiederaufladen, da man nicht wieder die volle Kapazität erreicht.
Die Alkali Batterie hat Anfangs eine Spannung von 1,5V, welche bei Gebrauch mit der Zeit konstant abnimmt. Die Selbstentladung ist mit 1% pro Monat sehr niedrig.

2.1.2 Kohle-Zink

Kohle-Zink ist die älteste Batterie Technologie. Sie wurde 1866 von Georges Lionel Leclanche erfunden. Die übliche Zink-Kohle-Batterie besteht im wesentlichen aus einem Zinkbecher, in den eine eingedickte Salmiaklösung (NH4Cl) und Braunstein (MnO2) gefüllt sind. In diesem eingedickten Brei - man nennt diesen Batterietyp daher auch Trockenbatterie - steckt ein Kohlestift. Die Spannung einer frischen Zn-C-Zelle beträgt 1,5 V. Kohle-Zink Batterien sind nicht wiederaufladbar. Sie eignen sich besonders für Geräte mit konstant niedrigen Strombedarf.

2.1.2 Zink-Luft

Die positive Elektrode einer Zink-Luft Batterie ist ein poröser Körper aus Kohlenstoff mit Luftzugang. An dieser Elektrode wird der Sauerstoff der Luft reduziert, das aktive Material ist also nicht in der Elektrode enthalten, sondern wird bei Bedarf der Luft entnommen, wobei das Gewicht der Batterie dementsprechend reduziert wird. Zink-Luft Batterien werden oft als sogenannte Knopfzellen produziert. Sie lassen sich allerdings nicht in Uhren einsetzen, da diese meistens Wasserdicht und damit auch Luftdicht sind.

2.1.3 Lithium

Lithium Batterien haben eine sehr lange Betriebsdauer (bis über 10 Jahre) bei sehr kleinen Strömen. Sie bieten sich deshalb ideal für Uhren an, welche wenig Strom benötigen aber ständig in Betrieb sind. Li-Batterien haben ein Zellenspannung im Bereich von 3V. Dies ist eine fast ideale Batterie aber sie ist teuer (etwa das doppelte einer Alkali-Batterie) und deshalb kaum bekannt und wenig verbreitet.

2.2 Akkumulatoren

2.2.1 Nickel-Cadmium (NiCd)

Die erste Generation von Akkus sind die Nickel-Cadmium Zellen. Sie sind äußerst günstig in der Herstellung, jedoch leider durch das Cadmium auch sehr giftig. NiCd Akkus haben Anfangs eine Spannung von 1,2V, welche gegen Ende sehr schnell abfällt. Die Selbstentladung bei diesen Akkus ist sehr hoch. Sie liegt bei 20%-25% Prozent im Monat. NiCd Akkus lassen sich bei richtiger Anwendung 1000mal wiederaufladen und haben damit eine lange Lebensdauer.

Memory Effekt: Eine Besonderheit der Nickel-Cadmium Zellen ist der sogenannte Memory Effekt. Er tritt durch wiederholtes teilentladen der NiCd-Zellen auf. Es scheint, dass sich die Zelle daran erinnert vorher nur eine Teilkapazität abgegeben zu haben. Erklärt wird dies mit der Bildung größerer Kristalle, die eine geringere Oberfläche besitzen als viele kleine (die Kapazität verhält sich proportional zur Oberfläche). Zur Beseitigung des Memory Effektes muss die Zelle zunächst entladen und anschließend mit Nennstrom und doppelter Ladezeit aufgeladen werden. Vor dem Aufladen sollte man seinen Akku also möglichst ganz entleeren, damit er dann bequem gemäß der in der Bedienungsanleitung angegebenen Dauer voll aufgeladen werden kann. Tiefentladen über den Zeitpunkt des Spannungsabfalls hinaus schadet der Lebensdauer des Akkus allerdings ebenfalls.

2.2.2 Nickel-MetallHydrid (NiMH)

Nickel-MetallHydrid Akkus sind vergleichbar mit den NiCd-Zellen. Sie besitzen jedoch einige Vorteile ihnen gegenüber. Durch ihre höhere Energiedichte besitzen sie bei gleicher Bauform eine deutlich höhere Kapazität (etwa 50%) als die NiCd-Zellen. Des weiteren haben NiMH-Zellen keinen Memory Effekt. Sie lassen sich also aus jedem Entladezustand wieder neu laden.
Durch das fehlen von Schwermetallen (z.B. Cadmium bei den NiCd-Zellen) sind sie nicht giftig und damit wesentlich Umweltfreundlicher.

2.2.3 Lithiumionenakkus

Im Boom tragbarer Informations- und Kommunikationsgeräte gelten Lithium-Ionen-Akkus als unverzichtbare Stromlieferanten. Sie weisen derzeit von allen wiederaufladbaren Batterietypen die höchste Energiedichte auf außerdem sind sie hoch Belastbar. LiIon Akkus haben keinen Memory Effekt. Man kann ihn jederzeit wieder aufladen und muss nicht warten, bis der Akku vollkommen leer ist. Allerdings darf man auch vom LiIon-Akku keine unbegrenzte Lebensdauer erwarten. Mit der Zeit lagern sich Lithium-Verbindungen auf der negativen Elektrode ab, so das die Akkus nach dem Aufladen nicht mehr die volle Leistung bringen.
Der LiIon-Akku hat eine Nennspannung von 3,7V. Seine Selbstentladung ist mit 0,5% pro Tag äußerst gering, dieser Wert ist aber stark temperaturabhängig.
Die Nachteile der LiIon-Akkutechnik sind der hohe Herstellungspreis und die Empfindlichkeit auf extreme Temperaturen.

2.2.4 Bleiakkus

Bleiakkus bestehen in der Regel aus einzelnen galvanischen Zellen. Eine einzelne Zelle hat eine Nennspannung von 2V, durch die Zusammenschaltung von 6 Zellen erreicht man eine Spannung von 12 V wie sie zum Beispiel in Autos Anwendung findet. Eine Besonderheit dieses Akkus ist es, dass beide Elektroden aus dem gleichen Material sind.
Einer der wichtigsten Vorteile eines Bleiakkus ist seine hohe Belastbarkeit. Durch seine Größe und sein Gewicht werden die Anwendungsmöglichkeiten jedoch eingeschränkt. Die Lebensdauer eines Bleiakkus liegt bei 4-5 Jahren.

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zu den Akkus

3. Für die Tragbaren Geräte

3.1 CD-Player

Bei einem tragbaren Cd-Player ist der Betrieb grundsätzlich mit Batterien sowie auch mit Akkus möglich. Wird der Cd-Player eher gelegentlich benutzt, sind die Batterien den Akkus vorzuziehen. Durch den hohen Stromverbrauch von ca. 200-300mA kommt bei Batteriebetrieb nur die Alkali Batterie in Frage. Sie eignet sich besonders für Geräte mit hohen Strombedarf.
Wenn man wert auf wiederaufladbare Akkus legt, sollte man zu den NickelMetallHydird Akkus greifen. Sie besitzen gegenüber den Nickel – Cadmium Akkus entscheidende Vorteile (kein Memory Effekt, höhere Energiedichte, Umweltverträglicher).

3.2 Handy

Handys sind bis auf wenige Ausnahmen ständig eingeschaltet, deshalb kommen Batterien hier nicht in Frage. Vereinzelt soll es sogar noch Handybesitzer geben, welche ihr Handy Nachts abschalten.
Da jeder mit seinem Handy möglichst lange mobil sein möchte, ist eine große Kapazität des Akkus gefragt. Auch die Baugröße ist von entscheidender Bedeutung. Niemand möchte mit einer Sendestation rumlaufen. Wir benötigen also einen Akku mit hoher Energiedichte. Da eine Handy auch ständig seinen Besitzer begleitet, ist das Gewicht des Akkus ebenfalls nicht zu vergessen. Mit diesen Voraussetzungen empfiehlt sich hier besonders der Lithiumionenakku. Er verbindet eine große Kapazität durch seine hohe Energiedichte mit einer geringen Baugröße und ist schon deshalb sehr leicht.

4. Typenübersicht

Primärbatterien

Sekundärbatterien (Akkus)

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