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Basiskurs zu Akkutechnik und -pflege

Allgemein gilt 
  1. Alle Akkus altern und können auch unter optimalen Bedingungen nicht beliebig lange gelagert werden. Zudem benötigt ausnahmslos jeder Akkutyp auch während der Lagerung eine regelmäßige Kontrolle und Wartung. Aus diesem Grund ist auch die Anschaffung eines zweiten Akkus, der nur als Ersatz bei Ausfall des Ersteren zum Einsatz kommen soll Unsinn.
  2. Jeder Akku verkraftet nur eine endliche Anzahl von Ladezyklen. Abhängig vom Typ und den Ladebedingungen kann die tatsächliche Anzahl jedoch extrem differieren.
Die ersten in Werkzeugen verbauten Akkumulatoren waren Nickel Cadmium Akkus. Das hervorzuhebende Merkmal dieses Typs ist die hohe Leistungsdichte – das heißt der Akku ist in der Lage ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer kurzfristig hohe Ströme abzugeben. Auch in extremen Situationen wie tiefen oder hohen Temperaturen reagiert der NiCd-Akku sehr gutmütig. Bei guter Pflege habe NiCd-Akkus auch heute noch die höchste Lebenserwartung.

Wir wären hier schon am Ende unserer Liste angelangt, wenn es nicht auch verbesserungswürdige Bereiche gäbe. So ist die Energiedichte, das heißt, die zur Verfügung stehende Ladungskapazität bei NiCd-Akkus eher bescheiden.

Darüber hinaus kommt das Schwermetall Cadmium zum Einsatz, welches schon in geringen Mengen schwere Umweltschäden verursachen kann. Eine gasdichte Hülle und eine einwandfreie Entsorgung sind daher Pflicht.
 
Mit 1% pro Tag ist die Selbstentladung sehr hoch.
 
Das letzte gravierende Manko ist bzw. war der sogenannte Memory-Effekt, der bei nicht vollständiger Entladung vor dem nächsten Ladezyklus auftritt und sich darin äußert, dass der Akku nach kurzer Zeit nur noch die Ladekapazität zur Verfügung stellt, die jeweils in den letzten Zyklen zugeladen wurde.
 

Zwei physikalische Phänomene sind Auslöser des Memory-Effekts

Beim Aufladen der NiCd-Zelle bilden sich Cadmium-Mikrokristalle. Wird die Zelle nur teilentladen, so werden diese nicht wieder vollständig aufgelöst. Beim nächsten Ladezyklus wachsen die schon vorhandenen Kristalle weiter. Bei gleicher Masse haben große Kristalle eine kleinere Oberfläche als kleine Kristalle – die damit verbundene Reaktivität reduziert sich. Kurzfristig steht also weniger Cadmium zur Verfügung und die Spannung der Zelle bricht ein.

Die zweite Ursache liegt in älteren NiCd-Ladegeräten, die den Ladezustand der Zelle ignorieren und über eine festgelegte Zeitspanne laden. Teilentladene Zellen werden auf diese Weise überladen: Sobald die Zelle vollständig geladen ist, verursacht die weiter anliegende Ladespannung eine übermäßige Erwärmung und diese wiederum begünstigt das Entstehen der intermetallischen Verbindung Ni5Cd21. Ni5Cd21 besitzt eine um 120 mV tiefer liegende Entladespannung. Das hier gebundene Material steht aber nicht mehr für den regulären Entladevorgang zur Verfügung.

 
Der Memory-Effekt ist reversibel – der betroffene NiCd-Akku kann mit Hilfe eines geeigneten Ladegeräts, welches den Speicher mehrfach vollständig auf- und entlädt, wieder auf die ursprüngliche Kapazität zurückgebracht werden.
 
Heute hergestellte, hochwertige NiCd-Akkus besitzen dank geeigneter Materialwahl nahezu keinen Memory-Effekt mehr. Daher sollten moderne NiCd-Akkus auch nicht vorsorglich gegen den Memory-Effekt behandelt werden – durch diese Maßnahme wird nur die endliche Anzahl möglicher Ladezyklen verringert.
 
Neben den reversiblen Effekten gibt es auch nicht umkehrbare Schäden an der Zelle, dazu gehört die Zersetzung des Wasseranteils aus dem Elektrolyten in Wasserstoff und Sauerstoff. Wenn die Gasentwicklung die Rekombinationsrate deutlich übersteigt, wie es vor allem beim Überladen mit hohen Ladeströmen passiert, kann die Zelle sogar durch den entstehenden Überdruck explodieren.
 
Daten einer NiCd-Zelle
 
- Leerlaufspannung: 1,29 Volt
- Ladeschlussspannung: ~1,5 Volt
- Entladeschlussspannung: 0,75 – 0,85 Volt
- Arbeitstemperatur: -15° bis +60° Celsius
- Möglicher Entladestrom: 10 – 100 A
- schädlich: 1. Überladen mit hohen Strömen
                   2. Lange Lagerung vollständig geladener Akkus
- Lagerung: optimal bei 1° – 8° C.
                   → Vor Gebrauch langsam auf Betriebstemperatur (20° - 25° C) erwärmen.
- Ladeschlusskriterien: 1. Temperaturüberwachung – die Zelle darf sich nicht über 35° C erwärmen.
                                   2. Delta-Peak Methode – Der Spannungsverlauf steigt kurz vor Ladeschluss
                                       stark an und sinkt bei vollständiger Ladung wieder etwas ab.
 
Der Nachfolger des NiCd-Akkus war der Nickel Metallhydrid (NiMH) Akku. Dieser hat im Vergleich zum NiCd-Akku eine um den Faktor 1,5 bis 2 höhere Energiedichte. Auch gab es – laut Herstellerangaben – keinen Memory-Effekt mehr. Tatsächlich verändert sich auch das Verhalten des NiMH-Akkus nach einigen Teilladezyklen bei dem die Zelle eine leicht verringerte Spannung aufweist und damit dem verwendeten Gerät einen falschen Ladezustand vorgaukelt – man spricht hier von Batterieträgheitseffekt (bzw. vom Lazy Batterie Effekt) – jedoch fällt dieser erheblich geringer aus, als der oben beschriebene Memory-Effekt.
 
Der NiMH-Akku ersetzt die giftige negative Elektrodeposit-Elektrode aus Cadmium durch eine Metalllegierung, die Wasserstoff speichern kann.
 
Die Vorteile des NiMH-Akkus werden jedoch auch durch Nachteile erkauft. Im Gegensatz zum NiCd Akku, der hohe Entladeströme bis hin zu einem kurzzeitigen Kurzschluss gut verkraftet, wird der NiMH bei hohen Entladeströmen durch die Hitzeentwicklung innerhalb kürzester Zeit zerstört.
 
Die nächste Schwachstelle des NiMH-Akkus ist die Empfindlichkeit gegenüber einer Überladung. Da die Ladekennlinie zugleich deutlich flacher ausfällt als beim NiCd-Akku stellt dieser Typ hohe Anforderungen an das Ladegerät. Anders ausgedrückt: Ein minderwertiges oder defektes Ladegerät kann die Lebensdauer auch hochwertiger Zellen innerhalb weniger Ladezyklen drastisch und irreparabel reduzieren.
 
Varianten:
Schnellladefähige Zellen – Im Kopf der Zelle ist ein Drucksensor eingebaut, der eine Schnellabschaltung realisiert und damit zerstörerische Temperaturen trotz hoher Ladeströme ausschließt.

Eneloop™ von Sanyo und ähnliche – mit dieser Variante ist es gelungen eine sehr niedrige Selbstentladung zu realisieren. Die maximale Energiedichte ist bei diesem Typ gegenüber vergleichbaren NiMH-Zellen etwas reduziert, was jedoch durch die gute Lagerfähigkeit bei einer Selbstentladungsrate von < 0,1% pro Tag mehr als ausgeglichen ist. Im Vergleich dazu eine herkömmliche NiMH.Zelle: Diese verliert in den ersten 24 Stunden 5-20% ihrer Kapazität und dann etwa 10-30% je Monat.
 
Daten einer NiMH-Zelle
 
- Leerlaufspannung: 1,24 Volt
- Ladeschlussspannung: ~1,5 Volt
- Entladeschlussspannung: 0,75 – 0,85 Volt
- Arbeitstemperatur: -15° bis +60° Celsius
- schädlich: Überladen
                   Hohe Entladeströme
- Lagerung: optimal bei 1° – 8° C.
                   Möglichst im vollgeladenen Zustand
- Ladeschlusskriterien: 1. Temperaturüberwachung – die Zelle darf sich nicht über 35° C
                                       erwärmen.                                       
                                   2. Delta-Peak Methode – Der Spannungsverlauf steigt kurz vor Ladeschluss stark
                                       an und sinkt bei vollständiger Ladung wieder etwas ab. 

Als letzten und modernsten Vertreter fassen wir hier den Lithium Ionen Akku und seinen Nachfolger, den Lithium Polymer Akku zusammen. Beide Typen haben gegenüber dem NiMH-Akku nochmal eine um den Faktor 2 höhere Energiedichte, wobei der LiPo gegenüber seinem Vorgänger eine höhere Leistungsdichte erzielt. Aufgrund der Volumenänderung beim Laden und Entladen werden diese Speicher in Gehäusen verbaut, die einen Volumenausgleich zulassen.

Da hier als Anode das Leichtmetall Lithium und als Kathode Kohlenstoff zum Einsatz kommt, sind sehr leichte Bauarten möglich.
 
Der Lithium Ionen Akku genauso wie der PiPo zeigt keinen Memory-Effekt, das heißt, die Zellen können in jedem Ladezustand problemlos nachgeladen werden.

Die Selbstentladungsrate von Lithium-Ionen-Akkus und LiPos liegt bei < 0,1% pro Tag. Eine Lagerung stellt somit kein größeres Problem dar.
 
Daten einer Lithium-Ionen-Zelle
 
- Leerlaufspannung: 3,6 Volt
- Ladeschlussspannung: ~4,2 Volt
- Entladeschlussspannung: ~2,5 Volt
- Leistungsdichte: 300-1500 W/kg
- Energiedichte: 95-190 Wh/kg
- Arbeitstemperatur: -15° bis +60° Celsius
- Möglicher Entladestrom: 10 – 100 A
- Lebensdauer: ~600 Zyklen und 2-4 Jahre.
- schädlich: 1. Tiefentladung (Lagerung in entladenem Zustand)
                   2. Zu hohe Stromabnahme
                   3. Betrieb bei falschen Temperaturen (<0 °C oder >60 °C)
                   4. Überladen – jedoch macht die interne Ladeelektronik dies in der Regel unmöglich
- Lagerung: optimal bei 15° C.
                   optimal bei 55 – 75% Ladung
- Ladeschlusskriterien: 1. Temperaturüberwachung – die Zelle darf sich nicht über 35° C erwärmen.
                                   2. Delta-Peak Methode – Der Spannungsverlauf steigt kurz vor Ladeschluss stark
                                       an und sinkt bei vollständiger Ladung wieder etwas ab.
 
 Ladekonzepte NiCd-Akkus:
 
- Permanentes Laden mit geringen Ladeströmen (~0,1 C)
- Zeitgesteuertes Laden (Entladen)
- Temperaturgesteuertes Laden (Entladen)
- Ladeabschaltung bei festgelegter Ladeschlussspannung
- Delta-Peak
- Reflexladung
 
Ladekonzepte NiMH-Akkus:

- Temperaturgesteuertes Laden (Entladen)
- Delta-Peak
- Reflexladung

Ladekonzepte Lithium-Ionen-Akkus (& LiPos):

- Strom-Spannungs-Verfahren
In der ersten Phase wird der Akku mit einem Konstantstrom geladen. Bei einer vorher festgelegten Zellenspannung, die in der Regel bei etwa 4,2 V liegt, wird umgeschaltet und nun mit konstanter Spannung geladen, während sich der Ladestrom reduziert. Das Laden wird bei den meisten Geräten beendet, sobald der Ladestrom unter 10 mA abfällt.
 

Was bringt die Zukunft?

Ultracaps – Kondensatoren mit sehr hoher Ladekapazität, die extreme Leistungsdichten zulassen. Hier findet keinerlei chemische Umsetzung statt.

Hochstromfähige Lithium Akkus – Untersuchungen haben ergeben, dass nicht der Ionenfluss den begrenzenden Faktor darstellt, sondern der Durchgang durch das Kristallgitter des Metalloxids nur an wenigen Spots erfolgt. Durch eine Behandlung, die eine effektive Oberflächenvergrößerung bewirkte, konnten so unter Laborbedingungen sehr hohe Ströme realisiert werden.

Lithium Akkus mit deutlich höherer Lebenserwartung – indem der bisher bevorzugt verwendete Anodenwerkstoff Graphit durch ein in einem speziellen Verfahren gewonnenem porösen Silizium ersetzt wird, verhinderten die Forscher das übermäßige Ausdehnen und Zusammenziehen des Materials, das ein entscheidendes Kriterium bei der Lebensdauer darstellt.
  

Herausgeber + Foto:
 
 Badische Straße  11
 42389  Wuppertal
     Redaktion
     Sabine Günther