Akku erklärt: Funktion, Laden und Entladen

In jeder elektrochemischen Zelle laufen zwei gekoppelte Teilreaktionen ab. Bei der Oxidation werden Elektronen abgegeben, bei der Reduktion aufgenommen. Beim Entladen laufen diese Vorgänge freiwillig und treiben den äußeren Stromkreis an.

Eine nicht wiederaufladbare Primärzelle wird im Alltag meist Batterie genannt. Ihre Entladereaktion lässt sich für erneute Nutzung nicht hinreichend umkehren. Wiederaufladbarkeit bedeutet aber nicht Verschleißfreiheit: Nebenreaktionen und Schäden an Elektroden können die Kapazität verringern.

Wir betrachten ein vereinfachtes System mit Graphit und Lithiumcobaltoxid. Beide Materialien können Lithium-Ionen wiederholt einlagern; im wasserfreien Elektrolyten bewegen sich Lithium-Ionen. Die Gleichungen gelten für dieses Modell, nicht unverändert für jeden Lithium-Ionen-Akku. Die kleine Ziffer in \ce{C6} zählt sechs Kohlenstoffatome; eine Zahl vor einer Formel würde ganze Formeleinheiten zählen.

Beim Entladen gibt die Graphitelektrode Elektronen ab:

\ce{LiC6 -> C6 + Li+ + e-}

Am Metalloxid werden Elektronen aufgenommen:

\ce{Li+ + CoO2 + e- -> LiCoO2}

Lithium-Ionen wandern zum Metalloxid; Cobalt wird reduziert. Beim Laden erzwingt die äußere Spannung beide Gegenreaktionen:

\ce{LiCoO2 -> Li+ + CoO2 + e-}

\ce{C6 + Li+ + e- -> LiC6}

Die Lithium-Ionen wandern zurück zum Graphit. Die Anode ist stets der Ort der Oxidation, die Kathode der Reduktion. Beim Entladen ist Graphit Anode und Minuspol, das Metalloxid Kathode und Pluspol. Beim Laden wechseln die Reaktionen: Das Metalloxid wird Anode, Graphit Kathode. Die Pole bleiben dabei gleich: Das Metalloxid bleibt der Pluspol, Graphit der Minuspol. Beim Laden ist die Anode also der Pluspol – wie bei jeder Elektrolyse. Die Namen folgen der Reaktion, nicht dauerhaft einem Polzeichen.

Akkus unterscheiden sich in Elektrodenmaterial, Elektrolyt, Zellspannung, Masse, Alterung und Sicherheitsanforderungen. Vergleiche zuerst den Einsatzzweck und frage dann nach benötigter Spannung und Leistung, Masse, Kapazität, Ladezyklen, Rohstoffen, Entsorgung, Ladegrenzen und Schutzschaltungen. Ein Ladezyklus umfasst Entladen und erneutes Laden.

Cadmium im Nickel-Cadmium-Akku ist giftig und erschwert die Entsorgung. Lithium-Ionen-Akkus sind leicht und haben eine hohe Energiedichte: Sie speichern viel Energie bei geringer Masse. Sie brauchen aber eine elektronische Ladungskontrolle. Nebenreaktionen und Schäden können ihre Kapazität verringern. Kein Akkutyp ist für alle Zwecke der beste.

Zellspannungen sind nur bei passenden Systemen und Bedingungen vergleichbar. Angaben von ungefähr 3{,}6\,\mathrm V und 3{,}8\,\mathrm V für Lithium-Ionen-Akkus darfst du nicht ohne diese Angaben zu einem exakten Wert zusammenziehen.