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Akkumulator

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Akkumulator (Begriffsklärung) aufgeführt.
12-V-Starterbatterie aus sechs Blei-Sekundär­zellen mit je 2 V in Reihen­schaltung

Ein Akkumulator oder Akku ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Das lateinische Wort accumulator bedeutet „Sammler“ (lat. cumulus „Haufen“, accumulare „anhäufen“). Eine frühere Bezeichnung für Akkumulatoren war Sammler.

Ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement wird Sekundärelement oder Sekundärzelle genannt, im Gegensatz zur nicht (oder nur sehr begrenzt) wiederaufladbaren Primärzelle. Sekundärzellen lassen sich – wie Primärzellen und alle elektrische Energiequellen – zusammenschalten, entweder in Reihenschaltung (zur Steigerung der nutzbaren elektrischen Spannung) oder aber in Parallelschaltung (zur Steigerung der nutzbaren Kapazität beziehungsweise wegen der Eignung für höhere Stromstärken). Beide Schaltungsvarianten führen zur entsprechenden Erhöhung des Gesamt-Energiegehalts (Produkt aus Kapazität und Spannung, angegebenen in Wattstunden (Wh)) der Anordnung.

Bei jedem Akkumulatortyp ist die Nennspannung der Akkumulatorzelle durch die verwendeten Materialien festgelegt; da jene für die meisten Anwendungen zu gering ist, wird häufig die Reihenschaltung angewandt, um die Spannung zu erhöhen (siehe Bild Starterbatterie). Die Kapazität und die mögliche Stromstärke hängen dagegen von der Baugröße ab. Deshalb ist eine Parallelschaltung mehrerer Zellen in der Regel nicht nötig; stattdessen verwendet man einen Akku mit entsprechend groß dimensionierten Zellen.

Begriffsklärung

Akkumulator

Nickel-Metallhydrid-Akkumulator-zellen im Standardformat „AA“ (Mignon)

Ursprünglich war mit Akkumulator ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement gemeint (Sekundärzelle). Heute bezeichnet der Begriff – zumindest in der Allgemeinsprache – auch wiederaufladbare Speicher, die aus zusammengeschalteten Sekundärzellen bestehen. Wenn es auf den Unterschied ankommt, sollte man genauere Bezeichnungen verwenden:

  • einzelnes Speicherelement: Sekundärzelle, Sekundärelement, Akkumulatorzelle, Akkuzelle
  • zusammengeschaltete Speicherelemente: z. B. Akkupack, Batterie aus Sekundärzellen

Batterie

→ Hauptartikel: Batterie (Elektrotechnik)

Im technischen Sinn ist eine Batterie eine Kombination mehrerer gleichartiger galvanischer Zellen bzw. Elemente, die in Reihe zusammengeschaltet sind.[1] Es gibt Batterien aus Primärzellen (nicht wiederaufladbar) und solche aus Sekundärzellen (wiederaufladbar). Ursprünglich waren mit Batterien nur solche aus Primärzellen gemeint. Seit der Ausbreitung der wiederaufladbaren Speicher ist diese einschränkende Definition veraltet.

In der Umgangssprache dient Batterie jedoch als Oberbegriff für (echte) Batterien, Primärzellen und Sekundärzellen. Es wird deshalb oft von „Batterien“ gesprochen, wenn eigentlich nur einzelne Primärzellen oder Sekundärzellen (Akkumulatorzellen) gemeint sind.

Beide Zellentypen sind in untereinander austauschbaren Baugrößen auf dem Markt, und beide werden im Englischen battery genannt, was zur Verwirrung beitragen dürfte. Akkuzellen sind im Englischen rechargeable batteries („wiederaufladbare Batterien“).

Elektrische Verbraucher, die sowohl mit Primär- als auch mit Sekundärzellen betrieben werden können, werden deshalb oft einfach batteriebetrieben genannt. Nur dann, wenn im täglichen Umgang mit dem Gerät die Wiederaufladbarkeit eine besondere Rolle spielt, bevorzugt man die Bezeichnung akkubetrieben. Im technisch-wissenschaftlichen Rahmen spricht man wegen der Dominanz des Englischen zunehmend von „wiederaufladbaren Batterien“ oder „sekundären Batterien“.

Kondensator

Kondensatoren speichern ebenfalls elektrische Energie und geben diese wieder ab, allerdings nicht in chemischer Form, sondern in einem elektrischen Feld zwischen den Kondensatorplatten. Sie sind daher keine Akkumulatoren.

Geschichte

Die erste Vorform eines Akkumulators, der – im Gegensatz zu den Zellen von Alessandro Volta – nach der Entladung wiederaufladbar war, wurde 1803 von Johann Wilhelm Ritter gebaut. Den bekanntesten Akkutyp, den Bleiakkumulator, entwickelte 1854 der Mediziner und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden. 1859 entwickelte Gaston Planté Sinstedens Erfindung durch eine spiralförmige Anordnung der Bleiplatten erheblich weiter. Um die Wende zum 20. Jahrhundert speisten von Holz umfasste Bleiakkumulatoren Elektroantriebe für Automobile. Die Akkutechnik nahm in der Zeit eine rasante Entwicklung. Folgender vom Telegraphentechnischen Reichsamt 1924 veröffentlichter Text zeigt das am Beispiel der damals etablierten Telegrafie und noch jungen Telefonie. Akkumulatoren werden hier „Sammler“ genannt, und „Batterien“ waren Ansammlungen galvanischer Elemente:

„[1899] waren für den Telegraphen wie für den Fernsprecher nasse und trockene Elemente die hauptsächlichen Stromquellen. Für den Telegraphen wurden Batterien vorwiegend aus Zink-Kupfer-Elementen verwendet; im Fernsprechdienst waren daneben hauptsächlich nasse Zink-Kohle- und Trockenelemente in Benutzung. Als leistungsfähigere Stromquellen wurden nach 1900 Sammler, die vereinzelt schon seit dem Jahre 1895 zum Betriebe der Mikrophone bei den größten Fernsprechämtern verwendet worden waren, in größerem Umfang eingeführt. […] Zur Ladung der 12zelligen Batterie stellte man beim Amt Dynamomaschinen auf, die mit einer eigenen Kraftanlage (meist Leicht- oder Schwerölmotoren) ausgerüstet waren oder aus dem örtlichen Starkstromnetz angetrieben wurden und den erforderlichen Gleichstrom in passender Stromstärke und Spannung lieferten. Es wurde anfangs allgemein im wechselnden Lade- und Entladebetrieb gearbeitet, d. h. abwechselnd speiste die eine Batterie das Amt, während die andere geladen wurde. Später (1921) ging man dazu über, den Strom für das Amt unmittelbar Dynamomaschinen zu entnehmen, deren elektrische Eigenschaften diesem Zwecke besonders angepaßt werden mußten, und ihnen eine ‚Puffer‘-Batterie parallel zu schalten.“[2]

Technik

Funktionsweise

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurück gewandelt (siehe dazu: Galvanische Zelle). Die für eine elektrochemische Zelle typische elektrische Nennspannung, der Wirkungsgrad und die Energiedichte hängen von der Art der verwendeten Materialien ab.

Akkumulatortypen

Die Akkumulatortypen[3] werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

Energiedichte und Wirkungsgrad

Spezifische Energiedichte (Wh/kg) verschiedener handelsüblicher Sekundärzellen als Funktion der Temperatur; bei tiefen Temperaturen nimmt die Energiedichte mehr oder weniger stark ab.
Energiedichten: Energie/Volumen bzw. Energie/Gewicht

Für viele Anwendungen, insbesondere für mobile Geräte im Bereich der Unterhaltungselektronik, Hörgeräte oder auch Fahrzeuge, ist die Energiedichte von Bedeutung. Je höher diese ist, desto mehr Energie kann in einem Akku je Volumen- bzw. Masseneinheit gespeichert werden. Die auf die Masse bezogene Energiedichte wird oft auch als spezifische Energie bezeichnet. Bezogen auf marktübliche Typen weisen Akkumulatoren (Sekundärzellen) im Allgemeinen eine (oftmals deutliche) geringere Energiedichte als Primärzellen auf.

Oft sind Akkus mit besonders hoher Energiedichte überproportional teuer oder weisen auch andere nachteilige Eigenschaften auf, insbesondere eine beschränkte Lebensdauer. So kosten Bleiakkumulatoren typischerweise 100 €/kWh; Li-Ion-Akkus hingegen derzeit (2012) typischerweise 350 €/kWh (200 €/kWh 2013), Tendenz fallend.[7][8] Ursachen sind die anlaufende Massenproduktion, welche die Stückkosten durch bessere Technik und Skaleneffekte deutlich verringern. Allerdings werden die sinkenden Produktionskosten nur verzögert an die Kunden weitergegeben, da auf diesem Markt, speziell in Deutschland, durch die wenigen Angebote nur ein geringer Preisdruck besteht.

Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird durch den inneren Widerstand der Zellen Wärme freigesetzt, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Generell sinkt der Ladewirkungsgrad sowohl durch Schnellladung mit sehr hohen Strömen als auch durch schnelle Entladung (Peukert-Effekt), da die Verluste am Innenwiderstand zunehmen. Das optimale Nutzungsfenster ist dabei je nach Zellchemie stark unterschiedlich.

Akkumulatortyp Energiedichte (Wh/kg) Ladewirkungsgrad[9] (Stand 2007) Besonderheit
Bleiakkumulator 30 60–70 %
Lithium-Ionen-Akkumulator auf der Basis von LiCoO2 120–210 90 % neuere Modelle schnellladefähig[10]
Lithium-Polymer-Akkumulator 140–260[11] 90 % praktisch beliebige Bauform möglich
Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator 80–140 94 % schnellladefähig, hochstromfähig, eigensicher
Lithium-Titanat-Akkumulator 70–90 90–95 % schnellladefähig
Lithium-Schwefel-Akkumulator 350 ? Labor-Prototyp[12]
Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator (Zebra-Batterie) 100–120 80–90 % 300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung, aber Heizverluste 10–20 %
Natrium-Schwefel-Akkumulator 120–220 70–85 % 300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung, aber Heizverluste 15–30 %
Nickel-Eisen-Akkumulator 40 65–70 % sehr unempfindlich gegen Über- und Tiefenentladung
Nickel-Cadmium-Akkumulator 40–60 70 % EU-weit verboten, aber mit vielen Ausnahmen. Erlaubt unter anderem im medizinischen Bereich, bei Elektrowerkzeugen und bei Elektroautos
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator 60–110 70 %
Nickel-Wasserstoff-Akkumulator 60 75%
Nickel-Zink-Akkumulator 50 65 %
Silber-Zink-Akkumulator 65–210 83 % teuer, kurzlebig, empfindlich, sehr hohe Kapazität
Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator 1100 ? Experimenteller Prototyp[13]
Aluminium-Ionen-Akkumulator 1000 [14] ? schnelladefähig, experimentelle Prototypen

Ein Vergleich zur Speicherung elektrischer Energie zeigt die Vor- und Nachteile von Akkus gegenüber anderen Speicherverfahren.

Ladungsmenge (Kapazität)

Li-Ionen-Akku für Digitalkameras

Die Ladungsmenge, die ein Akkumulator speichern kann, wird in Amperestunden (Ah) angegeben und als Kapazität (Nennkapazität) bezeichnet. Diese darf nicht verwechselt werden mit der Kapazität eines Kondensators, die in Amperesekunde pro Volt (As/V) definiert ist und in der Einheit Farad (F) angegeben wird. Die angegebene Nennkapazität beim Akku bezieht sich immer auf einen bestimmten Entladestrom und nimmt - je nach Akkutyp unterschiedlich stark - mit höheren Entladeströmen ab.

Ladezustand

Ein wichtiger Kennwert von mit Sekundärbatterien betriebenen Geräten ist der Ladezustand von Akkumulatoren (englisch State of Charge, SoC). Er wird üblicherweise in Prozentwerten angegeben, wobei 100% einen vollständig geladenen Akkumulator repräsentieren. Zur Bestimmung sind verschiedene Methoden gebräuchlich: chemische, spannungsabhängige, Strom-integrative, druckabhängige sowie die Messung der Akkumulator-Impedanz.[15] Der Kehrwert des Ladezustands ist der Entladungsgrad.

Selbstentladung – empfohlene Lagerung

Wird ein Akku nicht verwendet, so verliert er über die Zeit einen Teil seiner gespeicherten Energie. Diesen Vorgang nennt man Selbstentladung. Das Maß der Selbstentladung hängt von Typ und Alter des Akkumulators sowie von der Lagertemperatur ab.

Für die Lagerung von Akkus wird meistens folgendes empfohlen: (Hinweis: Der Ladezustand ist relativ gesehen zur Entladeschlussspannung. Das heißt, wenn ein Akku einen Ladezustand von 0 % aufweist, dann ist damit gemeint, dass er seine Entladeschlussspannung erreicht hat, bei NiCd- und NiMH-Akkus liegt diese z. B. bei 0,9 V bzw. 1,0 V.)

  • Li-Ion: Ladezustand 60 %, 20 °C; Selbstentladung monatlich < 2 %
  • Bleiakkumulator: Ladezustand 100 %, möglichst kühl lagern; Selbstentladung monatlich 5–10 % (Blei-Säure) bzw. 2–5 % (Blei-Gel), ein über längere Zeit entladener Akku ist zerstört
  • NiMH: Ladezustand 40 %; Selbstentladung monatlich um 15–25 %, neuere Typen als NiMH mit geringer Selbstentladung mit nur etwa 15 % im Jahr
  • NiCd: Ladezustand 40 %; Selbstentladung monatlich um 10 %
  • Alkali-Mangan RAM-Zellen: Ladezustand 100 %; Zellspannung sollte nicht unter 1,2 V sinken

Sanyo hat 2005 (Markteinführung in Europa August 2006) einen modifizierten NiMH-Akku namens Eneloop auf dem Markt gebracht, der einer Selbstentladung von lediglich 15 % pro Jahr unterliegt. Es handelt sich hierbei um sogenannte LSD-Akkus (Low Self Discharge), die aufgrund ihrer geringen Selbstentladung als bereits vorgeladene Akkus verkauft werden und daher im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus vor der ersten Benutzung durch den Käufer nicht aufgeladen werden müssen.

Alle Angaben zur Selbstentladung beziehen sich auf eine Raumtemperatur von ca. 20 °C.

Lebensdauer und Zyklenfestigkeit

Meistverkauftes Elektroauto Nissan Leaf seit 2010. Einige haben mehr als 200.000 km gefahren. Diese haben keine Probleme mit den Akkus.

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren erreichen nach Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei jeweiliger Entladetiefe von 70 %. [16] Als weltgrößter Hersteller von Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren gilt BYD, der durch präzise Fertigung eine große Auswahl an Zellen für zyklenfeste Anwendungen, wie zum Beispiel im Einsatz bei stationären Speichersystemen entwickelt hat. Nach 7500 Zyklen mit einem Entladungsgrad von 85 % haben diese noch eine Restkapazität von mindestens 80 % bei einer Rate von 1 C; das entspricht bei einem Vollzyklus pro Tag einer Lebensdauer von mind. 20,5 Jahren.

Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator Sony Fortelion hat nach 10000 Zyklen mit 100% Entladungsgrad noch eine Restkapazität von 71 %. Dieser Akkumulator ist seit 2009 auf dem Markt.[17]

In Solarbatterien eingesetzte Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen teilweise eine sehr hohe Zyklenfestigkeit von mehr als 10000 Lade- und Entladezyklen und eine lange Lebensdauer von bis zu 20 Jahren auf.[18][19]

Plug in America hat unter Fahrern des Tesla Roadster eine Umfrage durchgeführt bezüglich der Lebensdauer der verbauten Akkus. Dabei ergab sich, dass nach 100.000 Meilen = 160.000 km die Akkus noch eine Restkapazität von 80 bis 85 Prozent hatten. Dies war unabhängig davon, in welcher Klimazone das Fahrzeug bewegt wurde.[20][21] Der Tesla Roadster wurde zwischen 2008 und 2012 gebaut und verkauft. Für seine 85-kWh-Akkus im Tesla Model S gibt Tesla 8 Jahre Garantie mit unbegrenzter Laufleistung.[22]

Varta Storage gibt auf seine Produktfamilie engion family und engion home eine Garantie von 14.000 Vollzyklen und einer Lebensdauer von 10 Jahren.[23][24]

Das meistverkaufte Elektroauto ist der Nissan Leaf, welcher seit 2010 produziert wird. Nissan gab 2015 an, dass bis dahin nur 0,01 Prozent der Akkus wegen Defekt oder Problemen ausgetauscht werden mussten und das auch nur aufgrund extern zugefügter Schäden. Dabei gibt es vereinzelt Fahrzeuge, die bereits mehr als 200.000 km gefahren sind. Auch diese hätten keine Probleme mit dem Akku.[25]

Ladezeiten

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Die Ladezeit eines Akkus ist abhängig von verschiedenen Faktoren. Dazu zählen am Akku selbst Parameter, wie der Innenwiderstand, der direkten Einfluss auf den Ladestrom hat. Der maximale Ladestrom wird ot auch über den C-Faktor beschrieben und ist u.a. auch abhängig vom Ladezustand. Weiterhin ist die Ladespannung zu nennen, der durch die Zellchemie Grenzen gesetzt werden. Aus diesen beiden Paramtern ergibt sich eine natürliche obere Grenze der maximalen Ladeleistung, die oft noch weiter reduziert werden muss. Als äußere Faktoren sind ist zur Verfügung stehende Spannungs- und Stromquelle und das angewendete Ladeverfahren zu nennen. Die Akkuhersteller geben die einzuhaltenen Parameter auf ihren Datenblättern akkuabhängig vor.

Für klassische Akkus, wie Blei, NiCd und NiMH sind und waren Laderaten von weniger als 0,1C üblich. Das entspreicht Ladezeiten von 10 Stunden. Moderne Lithiumakkus und schnelladefähige Akkus können auch deutlich schneller geladen werden. So sind Ladezeiten von 3 bis 4 Stunden im Mobilgerätebereich üblich.

BYD e6 Taxi. Aufladen in 15 Minuten auf 80 Prozent

Elektroautos wie Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3, Nissan Leaf usw. können ihre Akkus an Schnellladestationen innerhalb von 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen.[26][27][28][29]

Das Elektroauto Volar-e der Firma Applus+IDIADA, basierend auf dem Rimac Concept One, enthält Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus, die innerhalb von 15 Minuten wieder aufgeladen werden können.[30] Nach Angabe des Herstellers BYD ist der Lithium-Eisen-Phosphat-Akku des Elektroautos e6 an einer Schnellladestation innerhalb von 15 Minuten zu 80 % aufgeladen, nach 40 Minuten zu 100 %.[31]

Nach Angaben des Hersteller kann der Akku des Smartphones Oneplus 3 innerhalb von 30 Minuten von 0 auf 60 Prozent geladen werden.[32][33]

Akkuforschung

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Forscher der Justus-Liebig-Universität Gießen haben zusammen mit Wissenschaftlern der BASF SE eine neue reversibel arbeitende Zelle auf Basis von Natrium und Sauerstoff entwickelt. Als Reaktionsprodukt tritt hierbei Natriumsuperoxid auf.[34]

Wissenschaftler der Universität Oslo aus Norwegen haben einen Akkumulator entwickelt, der unterhalb einer Sekunde wieder aufgeladen werden kann. Nach Meinung der Wissenschaftler wäre dieser Akkumulator interessant u.a. für Stadtbusse, die so an jedem Busstop geladen werden könnten und somit nur eine relativ kleine Batterie benötigen würden. Ein Nachteil ist, so die Forscher, dass je größer die Batterie ist, je größer muss auch der Ladestrom sein. Somit kann der Akku nicht sehr groß sein. Nach Angaben der Forscher könnte der neuartige Akku auch als Puffer in Sportwagen eingesetzt werden, um kurzfristig Leistung bereitzustellen. Vorerst denken die Forscher aber an Einsatzbereiche in Klein- und Kleinstgeräten.[35][36]

In Laboratorien der Firma StoreDot aus Israel können Berichten zufolge erste Labormuster von nicht näher spezifizierten Akkus in Mobiltelefonen (Akkukapazität im Bereich um 1 Ah) mit Stand April 2014 in 30 Sekunden geladen werden.[37][38]

Forscher aus Singapur haben 2014 einen Akku entwickelt, der nach 2 Minuten zu 70 Prozent aufgeladen werden kann. Die Akkus setzen auf die Lithium-Ionen-Technik. Jedoch besteht die Anode, der negative Pol in der Batterie, nicht mehr aus Graphit, sondern einem Titan-Dioxid-Gel. Das Gel beschleunigt die chemische Reaktion deutlich und sorgt so für ein schnelleres Aufladen. Insbesondere sollen diese Akkus in Elektroautos verwendet werden.[39][40][41] Bereits im Jahr 2012 haben Forscher der Ludwig-Maximilian-Universität in München das Grundprinzip entdeckt.[42]

Festkörperakkumulatoren sind eine spezielle Bauform, bei welchem beide Elektroden und auch der Elektrolyt aus verschiedenen, festen Materialien bestehen. Da keine Flüssigkeiten vorhanden sind, gibt es kein Problem mit Undichtigkeiten, sollte der Akkumulator beschädigt werden.

Auch wird an Akkumulatoren aus organischem Material gearbeitet.[43]

Wissenschaftler der Stanford-Universität in Kalifornien haben einen neuartigen Akku mit sehr günstigen Eigenschaften entwickelt. Bei dem Aluminium-Ionen-Akkumulator besteht die Anode aus Aluminium und die Kathode aus Grafit. Der Akku schafft mehr als 7500 Ladezyklen ohne Qualitätseinbußen. Die zur Fertigung des Akkus notwendigen Materialien sind sehr kostengünstig und zudem sehr leicht. Der Akku kann nicht in Brand geraten, selbst wenn man den Akku durchbohrt. Der Ladevorgang beträgt eine Minute. Zudem ist der Akku biegsam und kann somit in eine gewünschte Form gebogen und gefaltet werden. Der Akku ist noch nicht marktreif, da die Spannung und die Energiedichte noch zu gering sind.[44][45]

Nach Schätzungen werden bis 2025 bzw. spätestens 2030 die Lithium-Schwefel wie auch die Lithium-Luft-Akkutechnologie im Automobilbereich einsetzbar sein. Beide haben eine höhere Energiedichte als die im Jahr 2015 eingesetzte Lithium-Ion-Technologie und versprechen höhere Reichweiten in der Elektromobilität.[46][47]

Ein Team, angeführt von Yan Yu, an der University of Science and Technology of China in Hefei haben einen Akku entwickelt, der eine hohe Kapazität und Spannung aufweist, auch wenn er 2.000 Mal ge- und entladen wurde (96% Kapazität blieben erhalten). Er basiert auf Tri-Natrium-Di-Vanadium-Triphosphat (Na3V2(PO4)3) im Innern eines Graphenemischmaterials. [48]

Preisentwicklung

Bleiakkumulatoren kosten typischerweise 100 €/kWh. Li-Ion-Akkus kosteten im Januar 2014 hingegen typischerweise rund 110 €/kWh (150 USD/kWh). Die Preise für Li-Ion-Akkus sind seit 2011 deutlich gefallen (2011: 500 €/kWh, 2012: 350 €/kWh, 2013: 200 €/kWh).[7][8][49][50][51] Auf einer Konferenz für Elektromobilität im Oktober 2013 erwähnte der Trendforscher Lars Thomsen, dass Tesla seine Akkus zum damaligen Zeitpunkt für 200 USD/kWh (umgerechnet 148 €/kWh) verbaut hat.[52] Für das für den Herbst 2016 geplante E-Mobil Bolt rechnet General Motors mit 145 USD/kWh, sowie einer Reduktion auf 100 USD/kWh bis 2022.[53] Ursachen für den Preisrückgang sind die zunehmende Massenproduktion, welche die Stückkosten durch bessere Technologien und Skaleneffekte verringert hat.

Verwendung

Einsatzgebiete

Zylindrische Zelle (18650) vor dem Zusammenbau. Einige Tausend davon bilden den Akku des Elektroautos Tesla Model S (s. Gigafactory).
Lithiumionen-Akku Überwachungselektronik (Über- und Entladungsschutz)

Akkumulatoren werden oft verwendet, wenn ein elektrisches oder elektronisches Gerät ohne dauerhafte Verbindung zum festen Stromnetz oder zu einem Generator betrieben werden soll. Da sie teurer sind als nicht wiederaufladbare Primärbatterien, kommen sie vor allem in solchen Geräten zum Einsatz, die regelmäßig benutzt werden und einen nicht vernachlässigbaren Strombedarf haben, wie in Mobiltelefonen, Laptops oder Akkuwerkzeugen.

Auch in Kraftfahrzeugen dient ein Akku in Form der Starterbatterie dazu, Strom für Licht, Bordelektronik und vor allem den Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors zu liefern. Läuft der Motor, wird der Akkumulator über die als Generator arbeitende Lichtmaschine wieder aufgeladen. Ähnliches gilt für Schiffe und Flugzeuge.

Beim elektrischen Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schiffen oder gar kleinen Flugzeugen werden deren Akkus zur Unterscheidung von bloßen Starterbatterien dann als Traktions-Akkumulatoren bezeichnet und zu Traktionsbatterien zusammengeschaltet (s.a. Elektroauto, Elektromotorrad, Elektromotorroller, Batteriebus, Elektrolastkraftwagen).

Immer beliebter werden Pedelecs, ein spezielles Elektrofahrrad.

Akkus kommen auch zum Einsatz, um Schwankungen bei der regenerativen Erzeugung von Strom mit Wind und/oder Sonne auszugleichen (s. Solarbatterie), oder auch, wenn sich eine abgelegene Verbrauchsstelle nicht oder nur zu unverhältnismäßig hohen Kosten an das Stromnetz anschließen lässt. Oft sind solche Verbrauchsstellen zusätzlich noch mit einem Notstromaggregat ausgerüstet, das einspringt, bevor die Ladung der Akkus z. B. nach mehrtägiger Windstille nicht mehr ausreicht. Beispiele für solche Installationen sind nicht nur abgelegene Hütten, Mobilfunk-Basisstationen in wenig erschlossenen Regionen oder Weltraumsatelliten, sondern auch viele Parkscheinautomaten, bei denen ein Anschluss an das Stromnetz teurer wäre als die Installation einer Solarzelle und eines Akkumulators (s.a. Inselsystem, Inselnetz, Inselanlage).

Konventionelle U-Boot-Antriebe bestehen aus Dieselmotoren mit Generatoren (Fahren und Laden der Akkumulatoren bei nicht getauchter Fahrt) und mit Akkumulatoren betriebenen Elektromotoren (Tauchfahrten).

Viele Schiffe fahren generell mit Elektroantrieb. Der notwendige Strom wird von Dieselgeneratoren erzeugt. Damit der Dieselmotor immer im optimalen Drehzahlbereich arbeiten kann, wird die Energie in Akkus zwischengespeichert. Auch gibt es Fähren, die rein elektrisch nur mit Akkuantrieb fahren und jeweils an der Anlegestelle wieder aufgeladen werden[54] (s. a. dieselelektrischer Antrieb).

Akkumulatoren dienen in Systemen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) auch zur kurz- bis mittelfristigen Überbrückung von Ausfällen der stationären Energieversorgung. Wichtige Bereiche, die es mit einer Notstromversorgung abzusichern gilt, sind z. B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Werden hohe Leistungen benötigt oder sind längere Zeiträume zu überbrücken, wird noch ein Dieselgenerator zusätzlich installiert; die Akkus übernehmen dann die Versorgung nur so lange, wie der Dieselgenerator zum Anspringen und Erreichen der Nenndrehzahl benötigt. Falls die so zu überbrückende Zeit nur kurz ist, können dafür auch andere Systeme als Akkumulatoren eingesetzt werden, insbesondere auf der Basis von Schwungmassen oder gar Kondensatoren.

Batterie-Speicherkraftwerke werden u.a. eingesetzt zur Abdeckung von Spitzenlasten im Stromnetz und auch zur Netzstabilisierung in Stromnetzen.

Auswahlkriterien

Kriterien für die Auswahl eines Akkumulatortyps für eine bestimmte Anwendung sind unter anderem:

  • Die gravimetrische Energiedichte, auch als spezifische Energie bezeichnet. Sie sagt aus, wie viel elektrische Energie ein Akkumulator pro Masseneinheit (zum Beispiel Kilogramm) liefern kann. Dieser Wert ist besonders interessant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Herkömmliche Bleiakkumulatoren erreichen hier rund 30 Wh/kg, Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akkus) bis zu 140 Wh/kg.
  • Die volumetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wie viel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Volumen (zum Beispiel pro Liter Rauminhalt) liefern kann. Hier liegt der Wert für herkömmliche Bleiakkumulatoren bei ca. 50 Wh/l, bei Li-Ion-Akkus etwa 500 Wh/l.
  • Der maximal mögliche Entladestrom. Er ist wichtig für alle Anwendungen, bei denen kurzzeitig sehr hoher Leistungsbedarf besteht. Dieses ist zum Beispiel beim Starten von Fahrzeugmotoren der Fall, aber auch bei Elektrowerkzeugen und Autofokus-Kameras, insbesondere solchen mit integrierten Blitzgeräten.
  • Die möglichen Dimensionen (Abmessungen und Gewicht) und Bauformen der Akkuzelle. Sie sind entscheidend, wenn der Akkumulator auf möglichst kleinem Raum in elektronischen Geräten integriert werden soll. Ein gasdichter Aufbau etwa eines Gel-Bleiakkumulators ermöglicht den lageunabhängigen Einsatz ohne Gefahr durch auslaufenden Elektrolyt oder korrosive Gase
  • Der Memory-Effekt bei NiCd oder Batterieträgheitseffekt bei NiMH tritt abhängig vom Lade- und Entladeverfahren auf und führt unter Umständen zu erheblichen Verringerungen der Kapazität (NiCd) oder der Spannung (NiMH). In Anwendungen, bei denen der Akkumulator nicht regelmäßig vollständig entladen und wieder voll aufgeladen wird, sollten deshalb Akku-Arten verwendet werden, die für diese Effekte nicht anfällig sind, zum Beispiel Blei-Akkus oder Li-Ion-Akkus.

Aus der Anwendung der oben genannten Kriterien ergeben sich für jeden Akkutyp einige typische Anwendungsgebiete, wobei insbesondere bei NiCd-, NiMH- und Li-Ion-Akkus die Übergänge fließend sind:

  • Bleiakkumulator: Starter-Batterien für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, Stationärbetrieb in Notbeleuchtungsanlagen und Insel-Fotovoltaik-Anlagen
  • NiCd-Akku: Elektrowerkzeuge, Antriebe im Modellbau, portable elektronische Geräte mit kurzzeitig hoher Stromaufnahme (Foto-Blitzgeräte), Traktionsbatterien für Elektroautos, Bsp.: Citroën AX electrique
  • NiMH-Akku: portable elektronische Geräte mit konstanter Stromaufnahme, Modellbau, Elektroautos, Bsp.: GM EV1, Toyota Prius
  • Li-Ion-Akku: portable elektronische Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit (Mobiltelefone, Notebooks, Kameras)
  • Li-Po-Akku (auch Lipo, Lithium-Polymer): Antriebe im Modellbau, Mobiltelefon, Traktionsbatterie für extreme Reichweiten, Bsp.: Kruspan-Hotzenblitz[55]
  • Li-Mn-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Pedelecs, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
  • Li-Fe-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
  • Lithium-(Nano)-Titanat-Akku: Antrieb von Elektrokraftwagen mit großen Reichweiten
  • kein Akku: sondern Alkali-Mangan-Zellen bei Anwendungen mit so geringem Energieverbrauch, dass sie damit länger als ein Jahr laufen, wie Uhren, Fernbedienungen, Thermometer, Feuermelder, selten benutzte Waagen.

Als Alternative zu Akkumulatoren werden Brennstoffzellen-Systeme diskutiert und auch schon verwendet, die elektrische Energie mit Hilfe von Wasserstoff oder Methanol aus chemischer Energie erzeugen. Brennstoffzellen erzeugen die elektrische Energie ohne exotherme Verbrennung und zusätzliche Umwandlungen. Zu beachten ist dabei, dass die Energieabgabe der Brennstoffzelle kaum variiert werden kann. In Systemen mit schwankendem Leistungsbedarf (Bsp.: Hybridelektrokraftfahrzeug) müssen deshalb immer zusätzlich auch Akkumulatoren verwendet werden, die aber in Vergleichen oft unberücksichtigt bleiben.

Bei Vergleichen mit ausschließlichem Akkumulatorbetrieb muss also korrekterweise neben der eigentlichen Brennstoffzelle auch der Raumbedarf und das Gewicht des Treibstoffbehälters (Wasserstoff-Flaschen, Methanol-Tank) sowie der notwendigen Puffer-Akkus berücksichtigt werden.

Konkurrierende Energiespeicher sind auch Hydraulikspeicher sowie elektrochemische Zellen wie die Redox-Flow-Zelle.

Literatur

  • Edmund Hoppe: Die Akkumulatoren für Elektricität. Julius Springer, Berlin 1892.
  • Thomas B. Reddy (Hrsg.): Linden's Handbook of Batteries. 4. Auflage. McGraw-Hill, New York 2011, ISBN 978-0-07-162421-3.
  • Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-62997-1.
  • Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien. Teil 1: Akkumulatoren mit wäßriger Elektrolytlösung. In: Chemie in unserer Zeit. 33, Nr. 5, 1999, S. 252–266 (doi:10.1002/ciuz.19990330503, PDF).
  • Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien. Teil 2: Akkumulatoren mit nichtwäßriger Elektrolytlösung. In: Chemie in unserer Zeit. 33, Nr. 6, 1999, S. 320–332 (doi:10.1002/ciuz.19990330603, PDF).
  • DIN 40 729 Akkumulatoren – Galvanische Sekundärelemente – Grundbegriffe.

Weblinks

 Commons: Akkumulatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Akkumulator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wiktionary: Akku – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Wikisource: Bekanntmachung, betreffend die Einrichtung und den Betrieb von Anlagen zur Herstellung elektrischer Akkumulatoren aus Blei oder Bleiverbindungen (Deutschland, 1898) – Quellen und Volltexte

Einzelnachweise

  1. ↑ Grimsehl: Lehrbuch der Physik, Bd. II; Leipzig 1954, S. 38.
  2. ↑ Telegraphentechnisches Reichsamt: Das deutsche Telegraphen-, Fernsprech- und Funkwesen 1899–1924, S. 29
  3. ↑ Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung (PDF-Datei, 1,06 MB), (Jun.-)Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer, ISEA (RWTH Aachen)
  4. ↑ Winston Battery Company Overview, eingefügt am 12. Februar 2012
  5. ↑ tng, Smartmedia PresSservice GmbH, Oktober 2012: Stromspeicher aus Sand und Luft, aufgerufen 4. Oktober 2012
  6. ↑ Wolfgang Kempkens: E-Autos: Neue Akkus sollen den Durchbruch bringen Wirtschaftswoche online, Rubrik „Green“, Sektion „Innovation“, 28. Februar 2013
  7. ↑ 7,0 7,1 M. Seiwert, R. Böhmer, J. Rees, F. W. Rother: E-Auto-Batterien: Daimler und Evonik suchen Partner für Li-Tec. Online auf Wiwo.de vom 15.Juni 2013. Darin Audi-Chef Rupert Stadler: „Vor drei Jahren lagen die Preise pro Kilowattstunde noch bei 500 Euro … jetzt sind es rund 200 Euro. Und ich gehe davon aus, dass das nicht das Ende ist.“
  8. ↑ 8,0 8,1 Batterien für Elektroautos werden immer günstiger, Elektroauto, Februar 2012, aufgerufen 19. Mai 2012
  9. ↑ Alles über Akkus (Informationen über Akkus und Batterien und Ladetechnik/Lagegeräte), funkcom.ch, Matthias Frehner
  10. ↑ Der schnell ladende Super-Akku, pro-physik.de.
  11. ↑ High Energy Batteries for use in mobile electronics, rc modeling or solar racing (Memento vom 3. November 2013 im Internet Archive), Herstellerangaben, abgefragt am 2. November 2013
  12. ↑ Sion Introduces a Lithium Sulfur Rechargeable Battery (Memento vom 18. Juni 2009 im Internet Archive), abgefragt am 8. Februar 2011.
  13. ↑ Researchers Develop Novel High-Performance Polymer Tin Sulfur Lithium Ion Battery bei greencarcongress.com, abgerufen am 10. März 2012
  14. ↑ Oak Ridge National Laboratory: Aluminum-Ion Battery to Transform 21st Century Energy Storage. Oak Ridge National Laboratory. Abgerufen am 30. Oktober 2014.
  15. ↑ Ladezustand in IT-Wissen
  16. ↑ 3xe-electric-cars.com: Winston Battery, Herstellerangaben, abgerufen am 31. März 2014.
  17. ↑ Sony Fortelion Seite 13 (Memento vom 6. Juni 2014 im Internet Archive), PDF, eingefügt am 3. Juni 2014.
  18. ↑ Photovoltaik-Speichersystem von Bosch überzeugt durch sehr hohe Zyklenfestigkeit; Lithium-Ionen-Batterien absolvieren Alterungstest erfolgreich (Memento vom 30. März 2014 im Internet Archive) "Die Tests setzten die Batterien extremen Belastungen aus. So wurden über einen Zeitraum von 5 Jahren bei einer Entladungstiefe von 60 % mehr als 10.000 äquivalente Vollzyklen erreicht." und „Simulationen, die sich auf unsere Laborergebnisse und die unserer Kollegen vom ZSW stützen, zeigen, dass bei Berücksichtigung beider Alterungsprozesse die Batterien im BPT-S 5 Hybrid bis zu 20 Jahre betriebsfähig sind“, abgerufen am 29. März 2014.
  19. ↑ „Die Zellen haben laut Hersteller eine voraussichtliche Lebensdauer von 20 Jahren und könnten bis zu 15.000 Mal aufgeladen werden“ (Memento vom 9. Juni 2014 im Internet Archive), solarserver.de, abgerufen am 29. März 2014.
  20. ↑ Tesla Roadster – Batterie langlebiger als erwartet, greenmotorsblog.de, abgerufen am 31. März 2014
  21. ↑ Plug In America Research Shows That Tesla Roadster Battery Performance Bests Tesla Motors’ Own Projections, pluginamerica.org, abgerufen am 31. März 2014.
  22. ↑ „Batteriegarantie: 8 Jahre, unbegrenzte km“, teslamotors.com, abgerufen am 5. April 2014.
  23. ↑ „VARTA Storage garantiert 14.000 Zyklen bei Batteriespeichern“, vom 13. Juli 2015, abgerufen am 13. Juli 2015.
  24. ↑ „VARTA Storage erweitert Garantie für Batteriespeicher auf 14.000 Zyklen“, abgerufen am 13. Juli 2015.
  25. ↑ „zeit.de: Batterie-Upgrade? Unwahrscheinlich!“, abgerufen am 22. Februar 2016.
  26. ↑ BMU, März 2011: Neue Stromtankstelle: Elektroautos laden in 20 Minuten, golem.de
  27. ↑ Die Ladezeit dauert je nach Station zwischen 30 Minuten (Gleichstrom-Ladestation) und etwa acht Stunden (Haushaltssteckdose), zeit.de.
  28. ↑ Die Akkus im Renault Zoe können in der schnellsten von vier Ladegeschwindigkeiten in 30 Minuten bis zu 80 Prozent aufgeladen werden, bild.de.
  29. ↑ Mit einem Schnellladegerät lässt sich der Akku des i3 in nur 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen, golem.de.
  30. ↑ Elektroauto mit 1088 PS entwickelt (German) 24. Oktober 2014. Abgerufen am 12. April 2015.
  31. ↑ byd-auto.net Webseite von BYD: 40(min) / 15(min 80%).
  32. ↑ Das OnePlus 3 ist offiziell Zitat: "Ist die Batterie mal leer, geht es laut Hersteller in 30 Minuten von null auf 60 Prozent". Abgerufen am 15.6.16.
  33. ↑ phonearena.com OnePlus 3's Dash charging solution is fast and cool: 63% of battery juice in 30 minutes, 14. June 2016
  34. ↑ Pascal Hartmann, Conrad L. Bender, Milos Vračar, Anna Katharina Dürr, Arnd Garsuch, Jürgen Janek, Philipp Adelhelm: A rechargeable room-temperature sodium superoxide (NaO2) battery. In: Nature Materials. 2012, doi:10.1038/nmat3486.
  35. ↑ cleantechnica.com Ridiculously-Fast-Charging Batteries (Not Supercapacitors) Developed In Norway.
  36. ↑ tu.no De har lagt grunnlaget for batterier som kan lades 1000 ganger raskere.
  37. ↑ Galaxy S4 in 30 Sekunden geladen: StoreDot demonstriert neue Akkutechnik, netzwelt.de, aufgerufen 9. April 2014
  38. ↑ 'Günstiger' Quantenpunkt-Akku lädt in 30 Sekunden, winfuture.de, aufgerufen 9. April 2014.
  39. ↑ „Eine neue Art von Akku erreicht schon nach zwei Minuten am Strom eine 70-prozentige Ladung. Vor allem Elektroautos sollen profitieren.“ (Memento vom 20. Oktober 2014 im Internet Archive), bluewin.ch, aufgerufen 30. Dezember 2014.
  40. ↑ „Ultra-fast charging batteries that can be 70% recharged in just two minutes“, sciencedaily.com, aufgerufen 30. Dezember 2014
  41. ↑ „Neuer Akku lädt in wenigen Minuten“, golem.de, aufgerufen 30. Dezember 2014.
  42. ↑ „Lithium-Titan lädt in Sekunden“, elektroniknet.de, aufgerufen 30. Dezember 2014.
  43. ↑ Kostengünstig: Forscher entwickeln Batterie aus organischem Material, Deutsche Mittelstands Nachrichten, aufgerufen 28. Januar 2014
  44. ↑ „Forscher: Aluminium-Speicher ‚hat alles, was man sich für eine Batterie erträumen kann‘“, ecomento.tv, aufgerufen 14. Mai 2015.
  45. ↑ Meng-Chang Lin et al.: An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery. In: Nature. 520, 2015, S. 324–328, doi:10.1038/nature14340.
  46. ↑ Kai Stoppel: Zäher Fortschritt in der Forschung. Traum vom Super-Akku droht zu platzen. (HTML) Interview mit Dirk Uwe Sauer, Leiter des Instituts für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe an der RWTH Aachen. n-tv.de, 31. August 2015, abgerufen am 29. November 2015 (deutsch).
  47. ↑ StromAir (Alias): DE setzt auf Akkus mit Lithium-Schwefel / Lithium-Luft. (html) Zusammenfassung des Vortrags von Dr. Patrick Plötz vom Competence Center Energietechnologien und Energiesysteme, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI am 31.08.2015 auf dem 2. Swiss eSalon in Bern zum Thema Batterieperspektive. tff-forum.de, 31. August 2015, abgerufen am 29. November 2015.
  48. ↑ Zhu, C., Kopold, P., van Aken, P. A., Maier, J. and Yu, Y.: High Power–High Energy Sodium Battery Based on Threefold Interpenetrating Network. In: Adv. Mater., 28, 2016, S. 2409–2416. doi:10.1002/adma.20150594.
  49. ↑ Kosten für Batterien deutlich gesunken, t-online.de, aufgerufen 5. Dezember 2013
  50. ↑ „Tesla kauft seine Zellen von Panasonic/Sanyo für vermutlich 150 Dollar/Kilowattstunde“, schätzt Prof. Dirk Uwe Sauer von der RWTH, cleanthinking.de, aufgerufen 28. Januar 2014
  51. ↑ „I’m finding Chevy Volt replacement batteries online for about $2,300. $2,300/16 kWh = $144/kWh, Retail.“, cleantechnica.com, aufgerufen 18. März 2014
  52. ↑ Trendforscher erwartet baldigen Durchbruch der E-Autos zeit.de, mit Video des Vortrags. Zur Zeitangabe „Mitte 2014“ für 120 USD/kWh siehe Video des Vortrags.
  53. ↑ Chevrolet Bolt battery cells to cost "industry-leading" $145 per kWh,GM: Chevrolet Bolt Arrives In 2016, $145/kWh Cell Cost, Volt Margin Improves $3,500
  54. ↑ Schiff mit Akku-Antrieb, faz.net, aufgerufen 11. Februar 2014
  55. ↑ Hotzenblitz mit Lithium-Polymer Batterien Artikel zum Umbauprojekt der Firmen Kruspan Engineering und MDW-Temperatursensorik GmbH, Solar- und Elektromobil Nachrichten

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