Akku-Technologie
1. Was ist ein Akku?
Akku ist die Kurzform von Akkumulator und bedeutet Sammler. Der Akku besteht meist aus mehreren Zellen, die die Fähigkeit haben, elektrische Energie zu speichern und vvieder abzugeben. Diese Zellen werden oft auch als Sekundärzellen bezeichnet. Der Begriff "Batterie` kommt aus dem Französischen und wird für eine Ansammlung gleicher Elemente verwendet. Im deutschen Sprachgebrauch werden dagegen meist nicht aufladbare Primärzellen Batterien genannt.
Akkus und auch Batterien sind galvanische Elemente. Ein galvanisches Element besteht aus einem Behälter, in dem sich zwei Elektroden aus unterschiedlichen chemischen Substanzen befinden. Diese positiven und negativen Elektroden werden voneinander durch den Separator isoliert, um einen Kurzschluss zu verhindern. Damit jetzt eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann, wird der Separator mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyten, getränkt. Als Elektrolyten werden meist Laugen, anorganische Säuren oder Salzlösungen eingesetzt.
Die meisten verbreiteten Rundzellen werden in Wickeltechnik hergestellt. Die positive und die negative Elektrode werden - getrennt durch den Separator - in Streifen übereinander gelegt und aufgewickelt. Dünne Elektroden ermöglichen eine besonders große Oberfläche. Die Zelle ist im Wesentlichen durch ihre Spannung und durch ihre Kapazität gekennzeichnet. Die Spannung wird durch die gewählten Elektrodenmaterialien fest vorgegeben, die Kapazität durch die Menge der aktiven Masse (der Elektroden).

Grundbegriffe

1 . Spannung U [V]
Die Einzelzelle besitzt, entsprechend ihrer Technologie, eine definierte Spannung. Dieser Wert ergibt sich aus der Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden. Sie wird in Volt (V) gemessen. Die Angabe erfolgt meist als Nennspannung, typische oder auch Nominalspannung (nom.).
Eine voll geladene NiCd-/NiMH-Zelle erreicht eine Spannung von über 1,4 V; wenn sie leer ist, hat sie eine Spannung von ca. 1,0 V oder weniger.
Dies ist z. B. der Fall bei NiCd-/NiMH-Zellen mit einer Nominalspannung von 1,2 V und bei Li-Ion-Zellen mit einer Nominalspannung von 3,7 V.
Durch eine Serienschaltung von Zellen wird die Spannung erhöht.
Zum Beispiel ergeben acht Zellen (NiCd) in Serie eine Nominalspannung von 9,6 V für diesen Akku-Pack. Die Kapazität des Packs wird dadurch nicht erhöht.

2. Strom 1 [A]
Schließt man einen Verbraucher an die Zellen, wird der Stromkreis geschlossen, und es fließt Strom. Die Stromstärke ist abhängig von dem Verbraucher, der anliegt (der Last), und vom Innenwiderstand der Batterie.

3. Kapazität C [Ah]
Diese Angabe bezeichnet die Menge der elektrischen Ladung, die in dieser Zelle gespeichert werden kann. Die Kapazität wird in Amperestunden (Ah) oder auch Milliamperestunden (mAh) angegeben und besagt, wie viel Strom der Zelle eine Stunde lang entnommen werden kann. Die enthaltene Energiemenge fließt beim Entladen in Form von elektrischem Strom aus der Zelle heraus. Dieses Produkt aus Strom (1) und Zeit, (t) ergibt dann die Kapazität (C) der Zelle (C = 1 x t). Nicht immer kannjedoch die gesamte in ihm gespeicherte Energie dem Akku entlockt werden. Es spielen dabei viele Faktoren eine Rolle, wie Ladewirkungsgrad, Temperatur, Entladestronn, Ladezustand, Entladeschlussspannung oder auch das Alter der Zellen.
Nach Norm geht die Angabe der Kapazität von einem konstanten Entladestrom von 0,2 C (fünfstündiger Entladestrom) bei Raumtemperatur aus. Die Ladung erfolgt dafür mit einem geringen Ladestrom von 0,1 C (Erklärung unten) in 14 bis 16 Stunden.
Hat eine Zelle z. B. 2 Ah, so liefert sie theoretisch folgende Energie:
1 Stunde lang 2 A oder
10 Stunden lang 0,2 A oder auch
0,1 Stunden (= 6 Min.) lang 20 A
Durch eine Parallelschaltung von Zellen wird die Kapazität erhöht.
Beispielsweise ergeben zwei Zellen (NiCd-Zellen, 2 Ah) in Parallelschaltung 4 Ah für diesen Akku-Pack.
Die Spannung des Akku-Packs wird dadurch nicht erhöht. Die Parallelschaltung ist technisch schwer in Griff zu bekommen und wird daher kaum genutzt.

Der Begriff 'C-Rate' (neuerdings üblicherweise It) wird im Zusammenhang mit Akkus häufig gebraucht. Damit kann man die Größe von Ladeströmen und Entladeströmen unabhängig von der Kapazität der verschiedenen Zellen angeben. Die jeweils fließenden Ströme werden in Teilen oder in dem Vielfachen der C-Rate (11) angegeben.
Bei einer 2.000-mAh-Zelle würde z. B. die Angabe 3 C einen Strom von 6 A bedeuten (3 x 2.000 mA), die Angabe 0,1 C würde einen Strom von 200 mA bedeuten (0,1 x 2.000 mA).

4. Energie
das Produkt aus Spannung und Kapazität ergibt die Energie, in Wattstunden gemessen. Je höher die gespeicherte Energie, desto mehr Arbeit können Sie mit diesem AkkuGerät verrichten.

Ein 18-V-Akku-Pack (15 Zellen in Serie) mit einer 2,4-AhZelle hat ca. 43 Wh (2,4 Ah x 1,2 V x 15 Zellen = 43 Wh).

5. Ladewirkungsgrad
Der Ladewirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen aufgewendeter und abgegebener Leistung. Er ist abhängig vom Zellentyp und von den Ladebedingungen wie Ladetemperatur und Ladestronn. Die Fähigkeit zur Ladungsaufnahme ist bei warmen Zellen niedriger als bei Zellen mit Raumtemperatur. In der Praxis ist es nicht möglich, die gesamte bei der Ladung aufgenommene Energie bei der Entladung wieder nutzbar zu machen. Mit anderen Worten: Man muss mehr Energie zuführen, als der Akku dann wieder abgeben kann.

6. Laden (NiCd-/NiMH-Zellen)
Die heute üblichen Akku-Geräte haben meist optimal abgestimmte, mehr oder weniger intelligente Ladegeräte. Für den Werkzeugbereich gibt es Schnellladegeräte.
Auf Einzelzellen-Niveau geschieht beim Laden Folgendes: Bei hohen Laderaten erhöht sich am Ende der Ladephase die Zellentemperatur. Dadurch steigt der Druck in der Zelle an. Wird die Zelle weitergeladen (Überladung), entsteht dabei an der positiven Elektrode vermehrt Sauerstoff. Dies hat einen weiteren Temperatur- und Druckanstieg zur Folge.
Dieser Sauerstoff kann an der negativen Elektrode absorbiert werden. Der Sauerstoffverzehr an der negativen Elektrode wirkt aber begrenzt und kann sehr schnell zu einer irreparablen Schädigung der Zelle führen. Durch den Druckanstieg kann sich auch das Sicherheitsventil in der Zelle öffnen (Abblasen des Gas-Elektrolyi-Gemischs). Ein Abblasen ist auch bei Ladung unter Minustemperaturen zu beobachten, da sich dabei der Sauerstoffverzehr an der negativen Elektrode verringert.
NiMH-Zellen sind empfindlicher gegen Überladung als NiCcl-Zellen, die Mechanismen sind aber ähnlich.

7. Lademethode (NiCd-/NiMH-Zellen)

Akkus dürfen nur so lange geladen werden, bis sie voll sind. Ein Überladen - abhängig von Dauer und Höhe des Stromes - kann den Akku schädigen. Gute Ladegeräte besitzen daher eine Albschaltvorrichtung. Man unterscheidet die folgenden Lademethoden.

Normalladung:
Ladestrom ca. 0,1 C (12-14 Stunden Ladezeit) - Überladung relativ unkritisch
Beschleunigte Ladung:
Ladestrom ca. 0,2 C bis 0,5 C (3-6 Stunden Ladezeit) - Um Überladung zu verhindern mit Timer abschalten

Schnellladung:
Ladestrom ca. 0,5 C bis 2 C (1-3 Stunden Ladezeit) np> Um Überladung zu verhindern mit Tmer, Temperatursensor oder -dV abschalten

Erhaltungsladung:
Geringer Dauerladestrom nach Vollladung, um Selbstentladung auszugleichen; wird manchmal auch als Pulsladung ausgeführt z> Mennory-Effekt möglich durch Überladung

8. Ladeabschaltung

8.1 Timer
Oft wird ein Zeitschalter bei Schnellladung als Sicherheitsabschaltung verwendet. Solch einen Tinner findet man entweder als alleinige Abschaltfunktion oder in Kombination mit anderen Abschaltmethoden.

8.2 Absolute Ternperaturabschaltung
Meist wird die Temperatur über einen NTC (Widerstand mit einem negativen Temperaturbeiwert) gemessen. Steigt sie z. B. auf 45 'C an, wird die Ladung abgeschaltet. Ein heißer AkkuPack muss erst abkühlen.

8.3 Relative Temperaturabschaltung
Hier wird über den NTC der Temperaturanstieg der Zelle gemessen und die Ladung bei z.B. 1 'C/Min. abgeschaltet.

8.4 Minus-Delta-U-Verfahren (-dU, -dV)
Damit wird die Spannung der Zelle präzise gemessen. Gegen Ende des Ladevorganges steigt die Spannung der Zellen in einer typischen Kurve an. \Nenn der Akku voll ist, fällt die Spannung durch die Temperaturerhöhung leicht ab. Diesen Spannungsrückgang erkennt das Ladegerät (z. B. -10 mV/Zelle) und schaltet sich ab.

8.5 Peak-Sensor
Damit wird ebenfalls die Spannung der Zelle beim Laden gemessen. Der Ladevorgang wird exakt bei 100%iger Ladung der Zelle gestoppt.

9. Innenwiderstand R [Ohm]

Während der Entladung des Akkus nimmt die Akku-Spannung kontinuierlich ab. Verantwortlich dafür ist u. a. der innere Widerstand der Zelle, der keine konstante Größe darstellt, sondern sich bei Entladung oder auch nach Alterung der Zelle verändert. Weitere Faktoren sind Temperatur und Größe der Zelle. Ist der Innenwiderstand bei einer 'frisch" aufgeladenen kalten Zelle relativ klein, so erhöht er sich bei Entladung zusehends. Damit verbunden ist auch eine Erwärmung der Zellen bei Entladung. Je größer der Innenwiderstand wird, umso mehr Spannung fällt intern ab und umso weniger Spannung erhält man an den Klemmen der Zelle. Daher kann man auch bei entladenen Zellen im Leerlauf (kein Stromfluss) noch eine Spannung von ca. 1,2 V nnessen. Diese Spannung würde aber unter Last am Innenwiderstand der Zelle abfallen und an den Klemmen "zusammenbrechen".

10. Selbstentladung

Eine Selbstentladung ist die unerwünschte Form der Entladung.
Aufgrund elektrochemischer Ausgleichsvorgänge wird die gespeicherte Energiemenge verringert. Dieser Vorgang wird bei höherer Lagertemperatur noch verstärkt. Dies ist aber nicht der berühmte Memory-Effekt, denn nach der Ladung steht die volle Kapazität wieder zur Verfügung.

11. Tiefentladung

Bei der Tiefentladung eines Akku-Packs (d. h. Entladen unter 0,8 V/Zelle) kann sich die Polarität einer Zelle umkehren. Im Lauf der Zeit (zyklisches Laden/Entladen) oder auch durch Kapazitätsstreuung bei der Zellenherstellung bilden sich unterschiedliche Kapazitäten der einzelnen Zellen im Pack. Mit anderen Worten: Die schwächere Zelle im Akku-Pack erreicht die Entladeschlussspannung früher als die anderen Zellen. Darauf folgt eine Tefentladung für diese Zelle, und somit besteht die Möglichkeit einer
Umpolung. Diese Polaritätsumkehr wird noch forciert, wenn man bei Akkus ständig versucht, Strom zu entnehmen, obwohl sie eigentlich leer sind. Es empfiehlt sich daher immer bei längerem Nichtbenutzen, die Akkus von dem Gerät zu trennen.

12. Memory-Effekt

 Unter dem Memory-Effekt versteht man das Phänomen, dass ein NiCd-/NiMH-Akku bei falscher Handhabung "unbrauchbar" wird.
Technisch gesehen wird die Energie der Zelle durch Überladen und Teilentladungen mit anschließender Wiederaufladung verringert. An den Elektroden entstehen dadurch chemische Verbindungen, die ein 'normales" Entladen des Akkus nicht mehr zulassen. Spürbar wird dies daran, dass der Akku weniger Entladespannung liefert und ein angeschlossenes Gerät früher als nötig abschaltet. Diese Erscheinung ist temporär und kann durch Entladen bis zur Entladeschlussspannung (ca. 1,0 V/Zelle) und ein paar komplette Zyklen wieder aufgehoben werden.
Einige Ladegeräte besitzen dafür eine Entladefunktion. Im Gerät selbst kann man diesen Effekt vermeiden, wenn man das Gerät so lange betreibt, bis dieses nicht mehr genügend Spannung liefert. Ein Akku-Schrauber z. B, sollte hin und wieder genutzt werden, bis der Motor stehen bleibt, dann besteht nicht die Gefahr des Mernory-Effektes.

13. Lagerung

Die Akkus sollten in trockenen Räumen gelagert werden. Die Temperatur, speziell bei längerer Lagerung, sollte nicht 30 2C überschreiten. NiCd-/NiMH-Akkus können im geladenen sowie im ungeladenen Zustand gelagert werden. Nach längerer Lagerung sollte man ca. fünf Zyklen (5 x Laden/Entladen) fahren, um wieder die volle Leistungsfähigkeit der Zellen zu erreichen.

14. Entsorgung

Verbrauchte Batterien bzw. Akkus gehören nicht in den Müll, sondern müssen vorschriftsmäßig entsorgt werden (deutsche Batterieverordnung). Batterien bzw. Akkus enthalten chemische Substanzen, die zum Teil umweltschädlich sind. Daher verbrauchte Batterien bzw. Akkus in den dafür bereitgestellten Sammelbehälter werfen. Nur dann ist sichergestellt, dass sie einen ordnungsgemäßen Recyclingprozess durchlaufen.
Das Einsammeln, Sortieren und Recyceln von Batterien wird von den Herstellern finanziert und ist für den Verbraucher kostenlos. Die wertvollen Rohstoffe Cadmium, Nickel-Stahl sowie die Bestandteile von NiMH- und Lithiumzellen werden heute überall wiederverwendet.

15. Funktion und Aufbau des Akkus

 15.1 Nickel-Cadruium-Zelle (NiCd)

Die aktiven Komponenten eines NiCcl-Akkus im geladenen Zustand bestehen aus Nickelhydroxid NOOH) in der positiven Elektrode und Cadmium (Cd) in der negativen Elektrode. Für den Elektrolyten wird meist Kaliiauge (Kaliumhydroxid) verwendet.
Sinterzellen sind aufgrund des geringen Innenwiderstandes und der sehr guten Stromableitung (aufwendiges chemisch-physikalisches Verfahren für die Elektrodenproduktion) extrem hoch belastbar und schnell aufladbar. Sie sind kältefest bis -20 'C. Die Wahl des Separators (Nylon oder Polypropylen) und des Elektrolyten (KOH, UOH, NaOH) sind ebenfalls von ausschlaggebender Bedeutung.
Diese Komponenten beeinflussen die Spannungslage bei Hochstromentladung, die Lebensdauer und Überladefähigkeit der Zelle. Bei Fehlbehandlung kann schnell sehr hoher Druck entstehen, Daher benötigen Zellen ein Sicherheitsventil. Federventile (bei allen SANYO-Rundzellen) sind eindeutig besser als Gummiventile, da sie auch nach mehrmaligem Öffnen noch zuverlässig schließen.
NiCd-Zellen besitzen eine lange Lebensdauer (je nach Anwendung und Ladegerät bis zu 2,000 Zyklen) und sorgen für eine hohe Wirtschaftlichkeit.
 
15.2 Nickel-Metall-Hyclrid-Zelle (NiMH)
Die aktiven Komponenten eines NiMH-Akkus im geladenen Zustand bestehen aus Nickelhydroxid NOOH) in der positiven Elektrode und einer Wasserstoff speichernden Meialllegierung (MH) in der negativen Elektrode sowie einem alkalischen Elektrolyten.
Der Vorteil gegenüber NiCd-Akkus ist die höhere Energiedichte pro Volumen und Gewicht. Das Ersetzen von Cadmium (Schwermetall) wird meist für ein positives Image genutzt, bringt aber bei der heutigen Recyclingsituation keine nachhaltigen Vorteile. Bei vielen Anwendungen haben die NiMH-Akkus die NiCd-Akkus bereits ersetzt.
Die Nachteile sind höhere Empfindlichkeit gegen Überladung, höherer Innenwiderstand, kürzere Lebensdauer, größere Temperaturabhängigkeit und deutlich höhere Kosten.
 
15.3 Lithium-lon-Zelle (Li-lon)/Lithium-Polyrner-Zelle (Li-Polymer)
Die aktiven Komponenten eines Lithium-lon-Akkus im geladenen Zustand bestehen aus Lithium-Cobalidioxid (IL1C002) in der positiven Elektrode und Graphit in der negativen Elektrode. Li-lon-Zellen erreichen bei Vollladung eine Spannung von ca. 4,2 V. Aufgrund der dann entstehenden Elektrolyse (Zersetzung in Sauerstoff und Wasserstoff) von Wasser darf kein wässriger Elektrolyt verwendet werden.
Die Leitfähigkeit des Elektrolyten ist nicht so gut wie bei NiCd-/NiMH-Zellen. Es werden daher organische Lösungsmittel und Leitsalze verwendet. Sie haben einen höheren Innenwiderstand und eignen sich weniger für hohe Entladeströme. Außerdem ist ihre Stromabgabe im niedrigen Temperaturbereich sehr stark eingeschränkt.
Weiterhin sind bei Li-lon-Systemen elektronische Sicherheitsabschaltungen nötig, sowie aufwendigere Ladesysteme. Die Kosten sind dabei gegenüber NiCd-/NiMH-Zellen nicht unerheblich.
Der Vorteil liegt in der hohen Energiedichte, bezogen auf Volumen und Gewicht. Durch die höhere Spannung kann eine Li-lon-Zelle drei NiCd-/NiMH-Zellen ersetzen.
Lithium-Polymer-Zellen haben einen ähnlichen chemischen Aufbau. Der Unterschied zu einer Li-lon-Zelle besteht darin, dass der Elektrolyt aus einem Gel und das Gehäuse aus Aluminiumfolie oder metallisierten Kunststofffolien besteht. Rein theoretisch lassen sich dadurch beliebige Formen herstellen.