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Technologien der Energiespeicherung in Akkumulatoren

Die einzelnen Akkumulatoren unterscheiden sich in der Art und Weise der Speicherung der elektrischen Energie, d.h. durch ihre Technologie. Die Technologie der Energiespeicherung gibt (/117/, S. 101: Elektrochemische Spannungsquellen) vor!
Technologie

(sortiert nach Alphabet)
Er-
schein-
ungs-
jahr
Ladeschluss-,
Zell- und Entladeschluss-
spannung in V
Energie-
dichte

in mWh/cm3
Zyklen-
festigkeit

in Anzahl
Selbst-
entladung

in %/Monat
Hoch-
strom-
fähigkeit

in C
Schnell-
lade-
fähigkeit

in hh:mm
Alkalien - / 1,50 / -
Blei 1881 2,30 / 2,00 / 1,63 < 3xC
Blei−Gel 1940 2,30 / 2,00 / 1,80 < 3xC
Lithium-Ionen
Li−Ion
1990 - / 3,60 / 2,50 0,218 500-1.000 5...10 Nein 2:00
Nickel Cadmium
NiCd
1901 1,35 / 1,20 / 1,00 0,102 1.000 10...20 Ja 0:10
Nickel Metalhydrid
NiMH
1988 1,35 / 1,20 / 1,00 0,145 1.000 20...25 < 1xC 1:00
Silberoxid/Zink
(Batterie)
- / 1,55 / - 700 0 0,5

Was versteht man unter den einzelnen Begriffen, wie:

Elektrolyt;
Die Elektronen sind diejenigen, welche im Gegensatz zum positiv geladen Ion (z. Bsp. Wasserstoff), über die metallische Elektrode abfließen kann, da sie sich zwischen den Atomen, Molekülen und Ionen am ehesten hindurchschlängeln können. Das positiv geladene Ion muss in der Lösung ein passendes negativ geladenes Ion finden und die gibt es 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 Akkumulatoren unterzubringen sei, wo also die Energiedichte höher ist.
Entladeschlussspannung: UES in V
Ist die Spannung bei deren Erreichen die Akku−Zelle leer ist und bei deren Unterschreitung der Akkumulator Schaden nimmt.
Hochstromfähig #*C:
Fähigkeit der Akku−Zelle innerhalb von dem Bruchteil einer Stunde seine gesamte Ladung C abgeben zu können.
Beispiel: 2*C heißt, dass er seine Ladung innerhalb einer halben Stunde abgeben kann.
Ladeschlussspannung ULS in V
Ist die Spannung bei deren Erreichen der Akkumulatoren 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 Akkumulatoren zu speichern als dieser aufnehmen kann. Diese Energie wird im inneren in Wärme umgewandelt und der Akkumulatoren versucht sie wieder abzugeben. Wenn nicht fängt das Elektrolyt an zu kochen und der Akkumulatoren könnte platzen. In jedem Fall wird der Akkumulatoren bleibend geschädigt. Das kann auch für seine Umgebung (Gerät, Mensch) gelten.
Memoryeffekt
Dieser gefürchtete Effekt tritt ein, wenn man seinen Akkumulatoren nicht vollständig bis zur Entladeschlussspannung entlädt, bevor man ihn wieder lädt. Seine Wirkung ist folgende. Der Akkumulator merkt es sich, dass weniger Energie verwendet wird als er eigentlich zur Verfügung stellen kann. Dadurch stellt er auch 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 Akkumulatoren dauerhaften Schaden.
Nennkapazität: C in Ah
Das ist die Menge an Strom I mal Zeit t die er, nach dem er vollständig aufgeladen worden ist, wieder abgeben kann.
Nennkapazität C = I * t
Lastwiderstand RL
Der optimale Lastwiderstand RL wäre der, welcher die Spannung am Akkumulator einer Zeit auf die Entladeschlussspannung herunter sinken läßt und nach dem Abklemmen des Lastwiderstandes steigt die Spannung nicht wieder. Bei älteren Akkumulatoren war das nach 20 Stunden der Fall.
Lastwiderstand RL = UZ/(CTheoretisch/20h)

Ist der Akkumulator hochstromfähig, kann auch eine kleinere Zeit gewählt werden.
Schnellladefähigkeit:
Wenn der Akkumulatoren das unterstützt, kann er gefahrlos mit mehr als 0,75*C geladen werden. D.h der Akkumulator kann innerhalb einer Stunde bis zu 75% seiner gesamt aufnehmbaren Energie aufzunehmen. Versucht man es schneller, kann der Akkumulatoren die elektrische Energie nicht in chemische Energie, sondern nur in Wärmeenergie umwandeln, fängt an zu kochen und kann damit platzen.
Selbstentladung:
Als wenn ein Akkumulator undicht wäre, beantwortet diese Zahl, nach welcher Zeit sich wie viel Prozent der Energie, des zuvor voll geladenen Akkumulators, sich verflüchtigt hat. Deshalb sollte man auch die Akkumulatoren erst 1-2 Tage vor ihrem Einsatz laden. Das nach ihrem Einsatz zu tun, garantiert nicht dass diese in 2 Monaten immer noch die zuvor geladene Energie haben.
Zellspannung: UZ 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 Akkumulatoren laden, entladen, bis seine durch ihn speicherbare Energie auf 70,7%, gegenüber dem Neuzustand, gesunken ist.

Lithium−Polymer Akkumulator

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.

Lithium−Ionen Akkumulator

Er verfügt über eine höhere Energiedichte als Ni−MH Akkus und hat nicht mehr den gefürchteten Memory-Effekt.

Nickel Metall Hybrid−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 Memory-Effekt aus. Er ist jedoch nicht mehr so stark belastbar wie der NiCd Akku

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 so genannte und gefürchtete Memory-Effekt.

Blei-Akkumulator

Die Bleitechnologie ist die älteste regenerative Form elektrische Energie zu speichern. Eine Weiterentwicklung ist die Blei Gel Technologie. 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

accute01a.gif

PbSO4 + 2 H+ + 2 e-


PbSO4 + 2 H2O

accute01a.gif

PbO2 + 2 H+ + H2SO4 + 2 e-

Basiert auf einem Elektrolyt aus In diesen Elektrolyt sind die beiden Elektrode eingehängt.