Energiezellen
Energie : Energiezelle
: Übersicht
05-Aug-2000/28-04-05
Allgemeines über Batterien
Eine Batterie ist ein Speicher elektrischer Energie. Sie besteht aus
mehreren, elektrisch in Serie verbundenen galvanischen Einzelzellen. Die
in ihnen gespeicherte chemische Energie wandelt sich direkt in
elektrische Energie um, sobald ein elektrischer Verbraucher
angeschlossen wird -- daher ist eine Batterie ein elektrochemischen
Energiewandler.
Eine galvanische Zelle benötigt zur Energieumwandlung zwei Stoffe
(elektrochemisch aktive Elektroden unterschiedlicher Zusammensetzung),
die über einen Elektrolyten miteinander leitfähig verbunden sind:
- Die erste Elektrode besteht aus einem Metall (z.B. Zink,
Lithium) und bildet den negativen Pol der Zelle.
- Die zweite Elektrode besteht aus einer elektronenleitenden und
sauerstoffreichen Verbindung (z.B. Braunstein, Silberoxid oder
Nickelhydroxid) und bildet den positiven Pol der Zelle.
Je nach elektrochemischem System besitzt eine Zelle eine Spannung
zwischen 1,2 und 4 Volt. Wird eine Zelle über ihre Pole mit einem
elektrischen Verbraucher verbunden, liefert sie elektrische Energie und
verbraucht die im Inneren gespeichert chemische Energie.
Man unterscheidet zwischen nicht wiederaufladbaren Primärbatterien
und wiederaufladbaren Sekundärbatterien (»Akkus«). Der
Unterschied liegt in den elektrochemischen Systemen:
Wiederaufladbare Systeme sind in ihrem Lade-/ Entladeverhalten
umkehrbar (reversibel), sowohl hinsichtlich ihrer Elektrochemie als auch
der Struktur ihrer Elektroden. Sekundärbatterien bieten eine höhere
Belastbarkeit, wohingegen sich Primärbatterien durch eine niedrigere
Selbstentladung und einen höheren Energieinhalt (Ausnahme: Lithium-Ion
Batterien) auszeichnen.
Die Selbstentladung ist bei Sekundärbatterien im Vergleich zu
Primärbatterien besonders hoch. Der Hersteller Varta gibt die
Selbstentladung der Sekundärbatterien mit 15% bis 25% pro Monat bei
Raumtemperatur an (je nach elektrochemischem System). Bei
Primärbatterien soll die Entladung lt. Varta bei ca. 2% pro Jahr liegen.
Dadurch werden auch die sinnvollen Einsatzfelder der Primär- und
Sekundärbatterien klar:
- Ständige Nutzung des Verbrauchers: Sekundärbatterien z.B.
Mobiltelefone, Mobile Datenerfassungsgeräte
- Gelegentliche Nutzung des Verbrauchers: Primärbatterien
z.B. Sicherungsbatterie um den Speicher zu erhalten.
Prinzipiell gilt: Je höher die Temperatur, desto höher der
Energieverlust. Zu empfehlen ist eine Lagerhaltung bei ca. 0°C bis 10°C.
Kaufempfehlung Primärbatterien
Zu bevorzugen sind Alkali-Mangan-Batterien, da es bei diesen gelungen
ist, das Risiko des Auslaufens gegenüber den Zink-Kohle-Batterien weiter
zu reduzieren. Zudem konnte lt. Varta der Energieinhalt der
Alkali-Mangan-Batterien gegenüber den Zink-Kohle-Batterien nahezu
verdoppelt werden.
Kompatibilität von Sekundärbatterien (Akkus)
Der Memory-Effekt
Der Lazy-Effekt
Jedes Gerät welches Batterien nutzt, in deren Bauart auch Akkus
angeboten werden, kann mit diesen betrieben werden.
Beispiel: Eine Alkali-Mangan-Zelle (Primärbatterie) bietet eine
Anfangsspannung von 1,5 Volt die während der Entladung auf 0,9 Volt und
darunter abfällt.
Eine Sekundärbatterie liefert bis zur vollständigen Entladung eine
Versorgungsspannung von 1,2 Volt und liegt somit etwa im Mittel der
Betriebsspannung einer Primärbatterie.
Einige Hersteller raten vom Betrieb mit Akkus ab (meist Geräte zur
Datenspeicherung). Das hat
folgenden Grund:
Primärbatterien liefern eine zum Ende hin langsam abflachende
Versorgungsspannung. Somit ist der Moment der Abschaltung
verhältnismäßig leicht vorherzusagen.
Sekundärbatterien liefern bis zur Entladung ihre volle Leistung und
schalten dann abrupt ab. Dadurch ist es kaum möglich den Moment der
Abschaltung vorherzusagen, wodurch Speicherhaltende Geräte unter
Umständen Daten verlieren können.
Eine interessante Möglichkeit um den Leerzustand zu bestimmen, sind
sogenannte "Smart"-Batterien. Bislang werden diese nach meinem Wissen
nur in Notebooks eingesetzt. Diese sind mit einem Chip ausgestattet mit
dessen Hilfe es möglich ist, den genauen Energiestand, die Häufigkeit
der Ladung, die Temperatur usw. auszulesen.
Kaufempfehlung Akkus
Lithium-Ion-Batterien (soweit möglich mit "Smart"-Technik) sind die
derzeit beste Wahl. Ein Memory-Effekt entsteht in diesen Akkus nicht, da
kein Cadmium benutzt wird. Der Energieinhalt ist im Vergleich zu den
restlichen Akkutypen sehr hoch. Diese Batterien werden nicht als
Rundzellen (Mignon, Micro usw.) angeboten.
Nickel-Metallhydrid-Batterien sind vom Preis-Leistungsverhältnis her,
als sehr gut zu beurteilen. Auch diese Batterien unterliegen nicht dem
Risiko des "Memory-Effekts" und sind auch als Rundzellen erhältlich.
Aufgrund der hohen Leistung sind diese Akkus für Handheld-Computer, die
Standard-Batterien nutzen, sehr zu empfehlen.
Nickel-Cadmium-Batterien sind die günstigsten Akkus. Diese haben
aufgrund des häufig auftretenden Memory-Effekts im Regelfall die
kürzeste Lebensdauer.
Das bedeutet, Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ion-Batterien können
auch ohne größeres Risiko nachgeladen werden ohne diese vorher zu
Entladen. Sinnvoll ist allerdings, auch diese Akkus gelegentlich zu
entladen, um dem "Lazy-Effekt" vorzubeugen bzw. die Batterien zu
trainieren. Nickel-Cadmium-Batterien sollten auf jeden Fall komplett
entladen werden, bevor diese wieder vollständig geladen werde.
Aufladen von Batterien
Prinzipiell gilt: Aufgeladen werden können nur dafür vorgesehene
Batterien (Sekundärbatterien, Akkus). Es ist zwar grundsätzlich möglich,
Alkali-Mangan-Batterien zu "laden", es handelt sich hierbei aber
eigentlich eher um eine "Regeneration" dieser Primärbatterien. Beim
Regenerieren von Primärzellen ist zu beachten:
- Eine Regeneration ist nur möglich, wenn nicht mehr als 30% der
Kapazität (ausgehend von der maximalen Kapazität) entnommen wurden.
- Es ist ein besonderes Ladegerät erforderlich.
- Alkali-Mangan-Batterien lassen sich nur ca. 20mal und nur mit
einem speziellen Ladegerät regenerieren.
Beim Laden von Sekundärbatterien zu beachten:
- Vor der ersten Nutzung sollten Sekundärbatterien einen
vollständigen Ladezyklus durchlaufen (vorzugsweise keine
Schnellladung).
- Ladevorgänge möglichst nicht vorzeitig abbrechen.
- Akkus vor dem nächsten Ladevorgang möglichst komplett entladen.
(auch für Lithium-Ionen- und Nickel-Metallhydrid-Batterien zu
Empfehlen um dem Lazy-Effekt vorzubeugen)
- Nicht bei Temperaturen von unter 0°C laden
- Nur entsprechende Ladegeräte für den jeweiligen Akkutyp
verwenden. (sollte in der Anleitung aufgeführt sein)
Problematisch ist das Laden von Akkus immer, wenn diese nicht
zusammen entleert werden/wurden. Nutzt Ihr Akkus in verschiedenen
Geräten, ist auch die Restladung der Akkus im Regelfall unterschiedlich.
Sofern Ihr ein gutes Ladegerät (siehe oben) nutzt, wird den Akkus nur
soviel Energie zugeführt, wie auch der Akku mit der höchsten Restladung
aufnehmen kann. Somit werden einige Akkus nicht vollständig geladen.
Ein weiteres Problem tritt auf, wenn die Akkus nicht zusammen geladen
werden.
Wenn zwei Akkus gemeinsam entladen werden, deren Ladezustand etwas
auseinander liegt, wird der "schwächere" Akku schneller den Leerzustand
erreichen. Insbesondere bei Geräten, die auch mit niedriger Spannung
noch gut funktionieren werden die entleerten Akkus durch den/die noch
geladenen umgepolt und somit unkontrolliert tiefenentladen.
Somit ist es Empfehlenswert, immer nur die Akkus gemeinsam zu
laden/entladen, die auch gemeinsam geladen bzw. entladen wurden.
Netmarks
Weiterführende Materialien zur Akkutechnik:
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