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Akkumulator
Ein Akkumulator (kurz Akku), auch Sekundärbatterie genannt, ist ein wiederaufladbares galvanisches Element, bestehend aus zwei Elektroden und einem …
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Grundprinzip und Begriffe
Ein Akkumulator (Akku, auch Sekundärbatterie) ist ein wiederaufladbares galvanisches Element aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten. Er speichert elektrische Energie elektrochemisch: Beim Laden wird elektrische in chemische Energie umgewandelt, beim Entladen liefert die umgekehrte chemische Reaktion wieder elektrische Energie. Das Laden ist somit die elektrolytische Umkehrung der Reaktionen beim Entladen.
Ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement heißt Sekundärzelle, Sekundärelement oder Akkuzelle. Eine nicht oder nur sehr begrenzt wiederaufladbare Zelle heißt Primärzelle. Mehrere Zellen können zu einem Akkupack oder einer Batterie aus Sekundärzellen verbunden werden. Reihenschaltung erhöht die Spannung, Parallelschaltung die mögliche Stromstärke; beide erhöhen den Energiegehalt der Anordnung. Dieser ergibt sich aus Kapazität mal Spannung und wird in Wattstunden (Wh) angegeben.
Die Nennspannung einer Zelle wird durch ihre Materialien festgelegt. Die Kapazität und mögliche Stromstärke hängen vor allem von der Baugröße ab. Kondensatoren sind zwar ebenfalls elektrische Energiespeicher, speichern Energie aber als elektrisches Feld und nicht chemisch; sie sind keine Akkumulatoren.
Typen, Energiedichte und Kapazität
Akkutypen werden nach ihren Materialien benannt. Wichtige Beispiele sind Bleiakkumulatoren mit 2 V, Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren mit jeweils 1,2 V, Nickel-Zink-Akkumulatoren mit 1,65 V sowie Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit 3,2–3,7 V. Zur Lithium-Ionen-Gruppe gehören unter anderem Lithium-Cobaltdioxid- (3,6 V), Lithium-Polymer- (3,7 V), Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan- (3,6–3,7 V), Lithium-Eisenphosphat- (3,3 V) und Lithiumtitanat-Akkumulatoren (2,4 V). Lithium-Eisenphosphat-Akkus werden häufig in Elektroautos eingesetzt. Der Natrium-Schwefel-Akkumulator ist ein Hochtemperatur-Akku; die Natrium-Nickelchlorid-Zelle wird auch Zebra-Batterie genannt. Einige Technologien, etwa Aluminium-, Calcium-Ionen-, Silizium-Luft- und Zink-Luft-Akkumulatoren, befinden sich noch in Entwicklung oder sind experimentelle Prototypen.
Die Energiedichte beschreibt, wie viel Energie ein Akku pro Masse oder Volumen speichern kann. Sie ist besonders für mobile Geräte und Fahrzeuge wichtig. Akkus haben meist eine niedrigere Energiedichte als Primärzellen. Beispiele aus der Übersicht: Bleiakkumulatoren erreichen 30 Wh/kg, Nickel-Metallhydrid-Akkus 60–110 Wh/kg, Lithium-Polymer-Akkus 140–260 Wh/kg und Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Akkus 150–220 Wh/kg. Praktisch eingesetzte Lithium-Ionen-Zellen erreichen etwa 300 W⋅h⋅kg−1; Prototypen erreichten 2023 700 W⋅h⋅kg−1. Hohe Energiedichte kann mit höheren Kosten oder geringerer Lebensdauer verbunden sein.
Beim Laden und Entladen entstehen wegen des Innenwiderstands Wärmeverluste. Der Ladewirkungsgrad ist das Verhältnis der entnehmbaren Energie zur beim Laden aufzuwendenden Energie. Sehr schnelles Laden und Entladen senkt ihn, weil die Verluste zunehmen; bei schneller Entladung wird dies Peukert-Effekt genannt.
Die speicherbare Ladungsmenge heißt Nennkapazität und wird in Amperestunden (Ah), bei kleinen Zellen in Milliamperestunden (mAh), angegeben. Sie gilt immer für einen bestimmten Entladestrom und sinkt je nach Akkutyp bei höheren Strömen. Ah allein erlaubt keinen vollständigen Leistungsvergleich, weil auch Spannung und Lastprofil bekannt sein müssen. Kondensatorkapazität wird dagegen in Farad (F) angegeben.
Ladezustand, Lagerung und Lebensdauer
Der Ladezustand (state of charge, SOC) wird meist in Prozent angegeben: 100 % bedeutet vollständig geladen. Der Entladungsgrad (depth of discharge, DOD) ist 100 % minus SOC. Er kann chemisch, über die Spannung, durch Strom-Integration beziehungsweise Ladungsbilanzierung, über Druck oder über die Impedanz des Akkus bestimmt werden.
Nicht verwendete Akkus verlieren Energie durch Selbstentladung. Sie hängt von Typ, Alter und Lagertemperatur ab. Bei etwa 20 °C werden für Li-Ion-Akkus 60 % Ladezustand und monatlich unter 2 % Selbstentladung empfohlen. Bleiakkumulatoren sollten zu 100 % geladen und möglichst kühl gelagert werden; ihre Selbstentladung beträgt monatlich 5–10 % bei Blei-Säure beziehungsweise 2–5 % bei Blei-Gel. Längere Lagerung im entladenen Zustand zerstört einen Bleiakku. NiMH- und NiCd-Akkus sollen mit 40 % gelagert werden; NiMH verliert monatlich etwa 15–25 %, NiCd etwa 10 %. Neuere NiMH-Akkus mit geringer Selbstentladung können bei rund 15 % Verlust pro Jahr liegen.
Lebensdauer und Zyklenfestigkeit hängen von Zellchemie, Temperatur, Lade- und Entladetiefe sowie dem Batteriemanagementsystem (BMS) ab. Lithium-Eisenphosphat-Akkus erreichen laut Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei 80 % Entladetiefe; nach 7000 Zyklen sollen noch 70 % Kapazität vorhanden sein. Teilweise werden für Lithium-Ionen-Akkus in Batteriespeichern mehr als 10.000 Zyklen und theoretisch 20 Jahre Standzeit genannt. Hohe Temperaturen, besonders oberhalb von etwa 40 °C, beschleunigen die Alterung; niedrige Temperaturen verringern die verfügbare Kapazität. Thermomanagement soll alle Zellen bei möglichst gleicher, günstiger Temperatur halten. Passive Zellbalancierung richtet die Gesamtkapazität nach der schwächsten Reihenzelle aus, während aktives Balancieren Ladung zwischen Zellen ausgleichen kann.
Studien aus 2024 nennen für Elektroauto-Akkus einen durchschnittlichen Kapazitätsverlust von etwa 1,8 % pro Jahr. Nach 100.000 km liegen sie demnach über 90 % und sind bei 300.000 km meist noch alltagstauglich. Häufiges Schnellladen, starkes Beschleunigen, lange Standzeiten mit vollem Akku und Tiefentladungen können die Werte verschlechtern.
Laden und technische Entwicklung
Die Ladezeit hängt unter anderem von Innenwiderstand, Temperatur, Zellchemie, Ladezustand, Kühlung, Überwachung sowie der verfügbaren Stromquelle ab. Höhere Ladeströme verkürzen die Zeit, erhöhen aber Belastung und Verschleiß. Die Laderate C beschreibt den Ladestrom bezogen auf die Kapazität: 0,1 C bis 0,2 C ist bei Blei-, NiCd- und NiMH-Akkus Normalladung und bedeutet 5–10 Stunden. Bei modernen Lithiumakkus entspricht 0,5 C meist etwa 2 Stunden; 3 C würde theoretisch 20 Minuten ermöglichen. Elektroautos konnten an Schnellladestationen 2017 in etwa 30 Minuten auf 80 % laden. Für den Li Mega werden 2024 10 bis 80 % in 10 Minuten bei 5 C genannt.
Die Forschung untersucht unter anderem Natrium-Sauerstoff-Zellen, Natrium-Ionen-Akkus, Festkörperakkumulatoren und organische Redox-Flow-Akkus. Festkörperakkumulatoren besitzen feste Elektroden und einen festen Elektrolyten; dadurch besteht bei Beschädigung kein Problem durch auslaufende Flüssigkeiten. Ein Aluminium-Ionen-Akkumulator mit Aluminium-Anode und Grafit-Kathode erreichte in einem Forschungsbericht mehr als 7500 Ladezyklen ohne Qualitätseinbußen, war aber wegen zu geringer Spannung und Energiedichte noch nicht marktreif. Magnesium-Luft-Akkus kommen ohne Lithium aus und haben hohe Kapazität, jedoch bislang geringe Lebensdauer. Lithium-Schwefel- und Lithium-Luft-Technologien versprechen eine höhere Energiedichte als die 2015 eingesetzte Lithium-Ionen-Technik.
Die Preise für Lithium-Ionen-Akkus sanken deutlich: von mehr als 1000 US-Dollar/kWh 2007 auf 300 Dollar/kWh 2014 und 156 Dollar/kWh 2019. Als Ursache nennt der Artikel Massenproduktion, bessere Technik und Skaleneffekte. Für 2022 lagen 77 % der weltweiten Herstellkapazität von 1163 GWh jährlich in der Volksrepublik China; Polen und die USA hatten jeweils 6 %.
Einsatz und Auswahl
Akkus versorgen Geräte und Fahrzeuge ohne dauerhafte Verbindung zum Stromnetz oder zu einem Generator. Sie werden vor allem bei regelmäßig genutzten Geräten mit nennenswertem Strombedarf eingesetzt, etwa Mobiltelefonen, Laptops und Akkuwerkzeugen. In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor liefert die Starterbatterie Strom für Licht, Bordelektronik und Anlasser und wird bei laufendem Motor von der Lichtmaschine geladen. Batterieelektrische Fahrzeuge nutzen eine Antriebsbatterie aus Akkuzellen.
Batteriespeicher können Schwankungen von Wind- und Solarstrom ausgleichen, Spitzenlasten abdecken, Stromnetze stabilisieren und abgelegene Inselnetze versorgen. Sie dienen außerdem privaten Solaranlagen zur zeitversetzten Nutzung des selbst erzeugten Stroms. Weitere Anwendungen sind U-Boote, unterbrechungsfreie Stromversorgungen für Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Krankenhausgeräte.
Für die Auswahl sind gravimetrische und volumetrische Energiedichte, maximaler Entladestrom, Abmessungen, Gewicht, Bauform und Verhalten beim Laden wichtig. Bleiakkus erreichen rund 30 Wh/kg und etwa 50 Wh/l, Li-Ion-Akkus bis zu 140 Wh/kg und etwa 500 Wh/l. Hohe Entladeströme sind beispielsweise für Anlasser, Elektrowerkzeuge und Blitzgeräte wichtig. Der Memory-Effekt bei NiCd und die Batterieträgheit bei NiMH können je nach Lade- und Entladeverfahren Kapazität beziehungsweise Spannung verringern. Typische Einsatzfelder sind Bleiakkus als Starter- und Notbeleuchtungsbatterien, NiMH für portable Geräte mit konstanter Stromaufnahme und Li-Ion für kleine, lange nutzbare Elektronikgeräte sowie Elektroautos.
Sicherheit und Entsorgung
Akkus können durch Überhitzung Brände auslösen. Der Artikel nennt Berichte über brennende Elektroautos sowie den Brand eines Airbus in Südkorea im Januar 2025, der durch eine Powerbank verursacht wurde; die Regeln wurden danach verschärft.
Nach dem deutschen Batteriegesetz dürfen Batterien und Akkumulatoren nicht in den Hausmüll. Korrosion kann ihre Außenhülle zerstören, sodass umweltschädliche und giftige Chemikalien austreten. Auf Deponien können Schadstoffe in Ökosysteme und Grundwasser gelangen sowie Trinkwasser oder Pflanzen schädigen. Akkus und Batterien müssen deshalb in Deutschland als Sondermüll umweltgerecht entsorgt werden.
