mini|Zylindrische Akkumulator-Zelle (18650) vor dem Zusammenbau. Einige Tausend davon werden in ein größeres System namens Antriebsbatterie integriert und zusammengeschaltet, um so für das Elektroauto Tesla Model S die Funktion des Energiespeichers zu übernehmen. mini|Lithium-Ionen-Akku: Elektronik-Platine (Pluspol abgerissen) mit Über- und Tiefentladeschutz sowie Kurzschlussschutz
Ein Akkumulator (kurz Akku), auch Sekundärbatterie genannt, ist ein wiederaufladbares galvanisches Element, bestehend aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten, das elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speichert.
Ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement wird Sekundärelement oder Sekundärzelle genannt, im Gegensatz zur nicht (oder nur sehr begrenzt) wiederaufladbaren Primärzelle. Der Ladevorgang basiert auf der elektrolytischen Umkehrung der bei der Entladung ablaufenden chemischen Reaktionen durch Anlegen einer elektrischen Spannung.
Sekundärzellen lassen sich – wie Primärzellen – zu Batterien zusammenschalten, in Reihenschaltung (für höhere elektrische Spannung) oder in Parallelschaltung (für höhere Stromstärken). Beide Schaltungsvarianten führen zur entsprechenden Erhöhung des Gesamt-Energiegehalts [Produkt aus Kapazität und Spannung, angegeben 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 mini|Nickel-Metallhydrid-Akkumulator-zellen im Standardformat „AA“ (Mignon)
Das lateinische Wort bedeutet (, ). Bleiakkumulatoren wurden früher dementsprechend auch Bleisammler genannt. 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
Eine Batterie ist eine Kombination mehrerer gleichartiger technischer Teile. Hier handelt es sich im engeren Sinn um elektrisch und mechanisch miteinander verbundene galvanische Zellen bzw. Elemente.Ernst Grimsehl u. a.: Lehrbuch der Physik. Band II, Teubner, Leipzig 1954, S. 38. Es gibt Batterien aus Primärzellen (nicht wiederaufladbar) und solche aus Sekundärzellen (wiederaufladbar). Ursprünglich waren mit Batterien nur solche aus Primärzellen gemeint.
In der Umgangssprache dient Batterie als Oberbegriff für einzelne oder zusammengeschaltete Primärzellen und Sekundärzellen.
Beide Zellentypen sind in gleichen Baugrößen auf dem Markt, und beide werden im Englischen genannt. Akkuzellen heißen im Englischen (dt. „wiederaufladbare Batterien“) oder .
Elektrische Verbraucher, die mit Primär- oder Sekundärzellen betrieben werden, nennt man oft einfach batteriebetrieben. Wenn im täglichen Umgang mit dem Gerät die Wiederaufladbarkeit eine Rolle spielt, spricht man vom Akkubetrieb.
Kondensator Kondensatoren und auch Elektrolytkondensatoren sind ebenfalls Speicher für elektrische Energie, allerdings speichern sie diese nicht in chemischer Form, sondern als elektrisches Feld zwischen ihren Platten. Sie und auch die chemisch ähnlicheren Doppelschichtkondensatoren sind keine Akkumulatoren und werden auch nicht so bezeichnet.
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, konstruierte 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 in Glasgefäßen 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 der noch jungen Telefonie. Akkumulatoren werden hier „Sammler“ genannt, und „Batterien“ waren Ansammlungen galvanischer Elemente:
Technik
Funktionsweise In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder zurück in elektrische Energie umgewandelt (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 AkkumulatortypenDirk Uwe Sauer: (PDF; 1,1 MB) ISEA (RWTH Aachen) werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet. Auflistung nach Materialien Material Abk. Spannung Bemerkungen Alkali-Mangan-Zelle RAM 1,5 V wird zunehmend vom Nickel-Zink-Akkumulator verdrängt Aluminium-Akkumulator experimenteller Prototyp Bleiakkumulator Pb 2 V Calcium-Ionen-AkkumulatorCa-Ion1,8 Vin Entwicklung Lithium-Ionen-Akkumulatoren Li-Ion 3,2–3,7 V Oberbegriff für verschiedene Lithium-Ionen-Akkumulatortypen Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator LiCoO2 3,6 V erste verfügbare Technologie Lithium-Polymer-Akkumulator LiPo 3,7 V Bauform mit Polymer als Elektrolyt Lithium-Mangan-Akkumulator Li-Mn 3,6 V Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Akkumulator Li(NiCoMn)O2 3,6–3,7 V Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator LiFePO4 3,3 V häufiger Einsatz in Elektroautos Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulator LiFeYPO4 Yttrium-Dotierung zur Verbesserung der Eigenschaften winston-battery.com; abgerufen am 12. Februar 2012. Lithiumtitanat-Akkumulator LiTi 2,4 V Lithium-Akkumulatoren mit metallischem Lithium sie zählen nicht zu der größeren und bekannteren Gruppe der Ionen-Akkumulatoren Lithium-Luft-Akkumulator seit den 1970ern in Entwicklung Lithium-Schwefel-Akkumulator seit den 1960ern in Entwicklung Natrium-Nickelchlorid-Zelle NaNiCl 2,58 V Markenbezeichnung: Zebra-Batterie Natrium-Ionen-Akkumulator Na-Ion 1,6–1,7 V Natrium-Schwefel-Akkumulator NaS 2 V Hochtemperatur-Akku Nickel-Cadmium-Akkumulator NiCd 1,2 V Verkaufsverbot in der EU Nickel-Eisen-Akkumulator NiFe 1,2–1,9 V Nickel-Lithium-Akkumulator NiLi 3,47 V Nickel-Metallhydrid-Akkumulator NiMH 1,2 V Nickel-Wasserstoff-Akkumulator NiH2 1,5 V Nickel-Zink-Akkumulator NiZn 1,65 V Polysulfid-Bromid-Akkumulator Silber-Zink-Akkumulator 1,5 V Silizium-Luft-Akkumulator in Entwicklung, 2. Dezember 2017. Vanadium-Redox-Akkumulator 1,41 V bei 25 °C Zink-Brom-Akkumulator 1,76 V Zink-Luft-Akkumulator in Entwicklung Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator experimenteller Prototyp
Energiedichte und Wirkungsgrad mini|Spezifische Energiedichte (Wh/kg) verschiedener handelsüblicher Sekundärzellen als Funktion der Temperatur; bei tiefen Temperaturen nimmt die Energiedichte mehr oder weniger stark ab. mini|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, haben Akkumulatoren (Sekundärzellen) meist eine (oftmals deutlich) geringere Energiedichte als Primärzellen.
Oft sind Akkus mit besonders hoher Energiedichte überproportional teuer oder haben andere Nachteile, insbesondere eine beschränkte Lebensdauer. So kosten Bleiakkumulatoren typischerweise 100 €/kWh; Li-Ion-Akkus hingegen derzeit (2012) typischerweise 350 €/kWh (200 €/kWh 2013), Tendenz fallend.M. Seiwert, R. Böhmer, J. Rees, F. W. Rother: Wiwo.de, 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.“ 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.
Auflistung nach Energiedichte Energiedichte(Wh/kg) Akkumulatortyp LadewirkungsgradAlles über Akkus (Informationen über Akkus und Batterien und Ladetechnik/Lagegeräte). funkcom.ch, Matthias Frehner(Stand 2007) Besonderheit1100 Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator Experimenteller Prototyp1060 Aluminium-Akkumulator schnellladefähig, experimentelle Prototypen900 Nickel-Lithium-Akkumulator 350 Lithium-Schwefel-Akkumulator 90 % Labor-Prototyp evworld.com; abgerufen am 8. Februar 2011.140–260, Herstellerangaben; abgerufen am 2. November 2013. Lithium-Polymer-Akkumulator 90 % praktisch beliebige Bauform möglich150–220 Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Akkumulator 95 % hohe Kapazität140–210 Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator 94 % schnellladefähig, hochstromfähig, eigensicher120–220 Natrium-Schwefel-Akkumulator 70–85 % 300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung, aber Heizverluste 15–30 %120–210 Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator 90 % neuere Modelle schnellladefähig160 Natrium-Ionen-Akkumulator 65–210 Silber-Zink-Akkumulator 83 % teuer, kurzlebig, empfindlich, sehr hohe Kapazität100–120 Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator 80–90 % 300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung, aber Heizverluste 10–20 %60–110 Nickel-Metallhydrid-Akkumulator 70 % 70–90 Lithiumtitanat-Akkumulator 90–95 % schnellladefähig60 Nickel-Wasserstoff-Akkumulator 75 % 40–60 Nickel-Cadmium-Akkumulator 70 % EU-weit verboten, mit Ausnahme von Notsystemen und dem medizinischen Bereich50 Nickel-Zink-Akkumulator 65 % 40 Nickel-Eisen-Akkumulator 65–70 % sehr unempfindlich gegen Über- und Tiefentladung30 Bleiakkumulator 60–70 %
Im Zuge der stetigen Weiterentwicklung werden von Jahr zu Jahr höhere Energiedichten möglich. So erreichten viele Antriebsbatterien mit Produktionsstart 2019 etwa die doppelte Energiedichte wie die im Jahr 2010. Im Jahr 2023 erreichten Prototypen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine Energiedichte von 700 W⋅h⋅kg−1, während praktisch eingesetzte Zellen etwa 300 W⋅h⋅kg−1 erreichen.
Ein Vergleich zur Speicherung elektrischer Energie zeigt die Vor- und Nachteile von Akkus gegenüber anderen Speicherverfahren.
Ladungsmenge (Kapazität)
mini|Li-Ionen-Akku für Digitalkameras