Definition: Was ist ein Akkumulator?
Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher. Er nimmt elektrische Energie auf, wandelt sie beim Laden in chemische Energie um und gibt sie beim Entladen wieder als elektrische Energie ab. Im Alltag wird häufig der Begriff Akku verwendet. Technisch gehört ein Akkumulator zu den Sekundärzellen, weil er im Unterschied zu einer Einwegbatterie mehrfach geladen und entladen werden kann.
Akkumulatoren kommen in Smartphones, Laptops, Kameras, Werkzeugen, E-Bikes, Elektroautos, Solarspeichern, Notstromanlagen, medizinischen Geräten, Spielzeugen, Fernbedienungen und vielen weiteren Anwendungen vor. Sie sind ein wichtiger Baustein moderner Technik, weil sie Strom unabhängig von einer dauerhaften Netzverbindung verfügbar machen. Gleichzeitig gewinnen sie durch Elektromobilität und erneuerbare Energien stark an Gewicht.
Aufbau eines Akkumulators
Ein Akkumulator besteht aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen. Jede Zelle enthält zwei Elektroden, einen Elektrolyten und einen Separator. Die Elektroden werden als Pluspol und Minuspol bezeichnet. Je nach Lade- oder Entladezustand laufen an ihnen chemische Reaktionen ab. Der Elektrolyt ermöglicht den Transport geladener Teilchen zwischen den Elektroden. Der Separator trennt die Elektroden mechanisch voneinander und verhindert einen Kurzschluss.
Eine einzelne Zelle liefert nur eine bestimmte Spannung. Werden mehrere Zellen verbunden, entsteht ein Akkupack mit höherer Spannung, größerer Kapazität oder höherer Leistung. In größeren Systemen, etwa bei Elektroautos oder Heimspeichern, überwacht ein Batteriemanagementsystem den Zustand der Zellen. Es kontrolliert Spannung, Temperatur, Ladezustand und Schutzfunktionen.
Elektroden
Die Elektroden bestehen aus Materialien, die Ionen aufnehmen und wieder abgeben können. Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren wird häufig Graphit als negative Elektrode verwendet. Die positive Elektrode kann je nach Zellchemie Nickel, Mangan, Kobalt, Eisenphosphat oder andere Verbindungen enthalten. Bei Bleiakkumulatoren bestehen die Elektroden aus Blei beziehungsweise Bleioxid.
Die Wahl der Elektrodenmaterialien bestimmt viele Eigenschaften eines Akkumulators: Energiedichte, Lebensdauer, Ladegeschwindigkeit, Sicherheit, Kosten, Temperaturverhalten und Rohstoffbedarf. Deshalb unterscheiden sich Akkutypen deutlich in ihrer Eignung für Mobilgeräte, Fahrzeuge, stationäre Speicher oder Industrieanwendungen.
Elektrolyt und Separator
Der Elektrolyt transportiert Ionen zwischen den Elektroden. Er kann flüssig, gelartig oder fest sein. In vielen Lithium-Ionen-Zellen werden organische Elektrolyte verwendet, weil sie hohe Zellspannungen ermöglichen. Diese Elektrolyte können jedoch brennbar sein, weshalb Schutztechnik und sorgfältige Fertigung wichtig sind.
Der Separator ist eine dünne, durchlässige Trennschicht. Er lässt Ionen passieren, verhindert aber den direkten Kontakt der Elektroden. Wird der Separator beschädigt, kann ein Kurzschluss entstehen. Deshalb sind mechanische Stabilität, Temperaturbeständigkeit und saubere Herstellung für die Sicherheit eines Akkumulators sehr wichtig.
Funktionsweise
Beim Entladen laufen im Akkumulator chemische Reaktionen ab, bei denen Elektronen über den äußeren Stromkreis fließen. Dieser Elektronenfluss versorgt ein Gerät, einen Motor oder ein Speichersystem mit Strom. Gleichzeitig bewegen sich Ionen im Inneren der Zelle durch den Elektrolyten, damit der Ladungsausgleich erhalten bleibt.
Beim Laden wird von außen elektrische Energie zugeführt. Die chemischen Reaktionen laufen weitgehend in umgekehrter Richtung. Die aktiven Stoffe in den Elektroden werden wieder in einen energiereicheren Zustand gebracht. Dieser Vorgang ist nicht vollständig verlustfrei. Ein Teil der Energie wird als Wärme abgegeben. Deshalb erwärmen sich Akkumulatoren beim Laden und Entladen, besonders bei hoher Leistung.
Kapazität
Die Kapazität beschreibt, wie viel elektrische Ladung ein Akkumulator speichern kann. Sie wird häufig in Amperestunden oder Milliamperestunden angegeben. Ein Smartphone-Akku besitzt meist einige Tausend Milliamperestunden, ein Elektroauto-Akku deutlich höhere Kapazitäten. Für die tatsächlich gespeicherte Energie ist zusätzlich die Spannung entscheidend. Deshalb wird bei größeren Speichern oft die Einheit Kilowattstunde verwendet.
Die nutzbare Kapazität sinkt im Laufe der Zeit. Jeder Lade- und Entladevorgang belastet die Zellmaterialien ein wenig. Auch Alterung durch Temperatur, hohe Ladezustände oder lange Lagerung kann die Kapazität verringern. Ein Akku ist daher ein Verschleißteil, auch wenn er über viele Jahre funktionieren kann.
Ladezyklen
Ein Ladezyklus beschreibt die Entnahme und Wiederzufuhr einer Energiemenge, die der vollen Kapazität entspricht. Das muss nicht in einem Schritt geschehen. Zwei Entladungen um jeweils 50 Prozent ergeben zusammen ungefähr einen vollständigen Zyklus. Die Zyklenfestigkeit gibt an, wie viele solcher Zyklen ein Akkumulator erreicht, bevor seine Kapazität deutlich sinkt.
Die Lebensdauer hängt stark von Zellchemie, Temperatur, Ladeleistung, Entladetiefe und Betriebsführung ab. Flache Ladezyklen sind oft schonender als vollständiges Entladen und Laden. Viele Geräte begrenzen deshalb Lade- und Entladebereiche, um die Lebensdauer zu verlängern.
Wichtige Arten von Akkumulatoren
Lithium-Ionen-Akkumulator
Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind heute besonders verbreitet. Sie besitzen eine hohe Energiedichte, geringes Gewicht und gute Leistungsfähigkeit. Deshalb werden sie in Smartphones, Laptops, Elektrowerkzeugen, E-Bikes, Elektroautos und stationären Speichern eingesetzt. Es gibt verschiedene Lithium-Ionen-Chemien, etwa Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid, Lithium-Eisenphosphat oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid.
Lithium-Eisenphosphat-Akkus gelten als thermisch robuster und langlebig, besitzen aber meist eine geringere Energiedichte als manche nickelreichen Zelltypen. Nickelreiche Akkus ermöglichen hohe Reichweiten bei Fahrzeugen, benötigen jedoch Rohstoffe, deren Gewinnung ökologisch und sozial anspruchsvoll sein kann.
Bleiakkumulator
Der Bleiakkumulator ist eine der ältesten wiederaufladbaren Batterietechnologien. Er wird weiterhin häufig als Starterbatterie in Fahrzeugen, in Notstromsystemen, Gabelstaplern und bestimmten stationären Anwendungen genutzt. Er ist vergleichsweise schwer, robust und kostengünstig. Seine Energiedichte ist deutlich niedriger als die von Lithium-Ionen-Akkus.
Ein großer Vorteil liegt im gut etablierten Recycling. Bleiakkumulatoren können in geschlossenen Stoffkreisläufen zu hohen Anteilen wiederverwertet werden. Wegen des giftigen Schwermetalls Blei ist eine geordnete Sammlung und Verarbeitung jedoch besonders wichtig.
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator
Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren wurden lange in wiederaufladbaren Haushaltsbatterien, Kameras, Spielzeugen und Hybridfahrzeugen eingesetzt. Sie sind robuster als manche ältere Akkutypen und enthalten kein Cadmium. Ihre Energiedichte liegt unter der moderner Lithium-Ionen-Zellen, weshalb sie in vielen mobilen Anwendungen verdrängt wurden.
Akkumulator und Batterie
Im Alltag werden Akku und Batterie oft gleichgesetzt. Technisch gibt es jedoch einen Unterschied. Eine Primärbatterie ist nicht für das Wiederaufladen gedacht. Sie wird einmal entladen und anschließend entsorgt beziehungsweise recycelt. Ein Akkumulator ist dagegen wiederaufladbar und kann viele Ladezyklen durchlaufen.
Diese Unterscheidung ist für Umwelt und Kosten wichtig. Geräte mit häufigem Strombedarf sind mit Akkumulatoren meist ressourcenschonender als mit Einwegbatterien. Bei selten genutzten Geräten mit sehr geringem Energiebedarf können Primärbatterien dennoch praktisch sein, etwa wegen geringer Selbstentladung.
Umwelt und Rohstoffe
Akkumulatoren benötigen Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Kobalt, Graphit, Kupfer, Aluminium, Blei, Eisen, Mangan oder Phosphor. Gewinnung und Verarbeitung dieser Stoffe können Landschaften verändern, Wasser verbrauchen, Abfälle erzeugen und soziale Probleme verursachen. Besonders Lithium, Kobalt und Nickel stehen häufig im Mittelpunkt der Diskussion über nachhaltige Lieferketten.
Gleichzeitig ermöglichen Akkumulatoren eine Verringerung fossiler Energien, wenn sie in Elektrofahrzeugen oder Stromspeichern mit erneuerbarem Strom genutzt werden. Die Umweltbilanz hängt deshalb von Herstellung, Strommix, Nutzungsdauer, Reparierbarkeit, Zweitnutzung und Recycling ab. Ein langlebiger Akku, der sauber geladen und am Ende hochwertig recycelt wird, schneidet deutlich besser ab als ein kurzlebiges, schlecht gesammeltes Produkt.
Recycling
Akkumulatoren gehören nicht in den Restmüll. Sie enthalten wertvolle Rohstoffe und teils gefährliche Stoffe. Getrennte Sammlung verhindert Brände, Schadstofffreisetzung und Rohstoffverluste. Kleine Akkus können über Sammelstellen im Handel oder kommunale Wertstoffhöfe abgegeben werden. Fahrzeug- und Industriebatterien besitzen eigene Rücknahmesysteme.
Beim Recycling werden Metalle und weitere Bestandteile zurückgewonnen. Bei Bleiakkumulatoren ist das Recycling seit Langem etabliert. Bei Lithium-Ionen-Akkus entwickeln sich Verfahren weiter, um Lithium, Nickel, Kobalt, Kupfer, Aluminium und Graphit möglichst hochwertig zu erfassen. Mit wachsender Elektromobilität wird dieser Kreislauf immer wichtiger.
Sicherheit und Umgang
Akkumulatoren sollten vor Hitze, Beschädigung, Kurzschluss und falscher Ladung geschützt werden. Besonders Lithium-Ionen-Akkus können bei starken Schäden, Überhitzung oder Produktionsfehlern thermisch durchgehen. Dabei steigt die Temperatur stark an, und es kann zu Rauch, Feuer oder Gasfreisetzung kommen. Moderne Akkus enthalten Schutzschaltungen, doch sachgerechter Umgang bleibt wichtig.
Beschädigte, aufgeblähte oder ungewöhnlich heiße Akkus sollten nicht weiterverwendet werden. Lose Akkus sollten so gelagert werden, dass die Pole keinen Kontakt zu Metallteilen bekommen. Für Transport und Entsorgung gelten besondere Regeln, vor allem bei größeren Akkupacks.
Akkumulatoren in der Energiewende
Akkumulatoren helfen, Strom aus Wind und Sonne flexibler zu nutzen. Heimspeicher können Solarstrom vom Dach zeitlich verschieben. Große Batteriespeicher stabilisieren Stromnetze, gleichen kurzfristige Schwankungen aus und stellen Regelenergie bereit. Elektrofahrzeuge speichern große Energiemengen und könnten künftig stärker mit dem Stromsystem verbunden werden.
Für sehr lange Speicherzeiten über Wochen oder Monate sind Akkumulatoren meist weniger geeignet. Dort kommen andere Speicherformen wie Wasserstoff, Wärmespeicher, Pumpspeicher oder flexible Nachfrage infrage. Akkumulatoren sind besonders stark, wenn Energie über Sekunden, Minuten, Stunden oder wenige Tage gespeichert werden soll.
Zusammenfassung
Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher. Er wandelt elektrische Energie beim Laden in chemische Energie um und gibt sie beim Entladen wieder als Strom ab. Wichtige Typen sind Lithium-Ionen-, Blei- und Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren. Akkus ermöglichen mobile Geräte, Elektromobilität, Notstromversorgung und die Speicherung erneuerbarer Energien. Umweltrelevant sind Rohstoffgewinnung, Lebensdauer, sachgerechte Nutzung, Sicherheit, Sammlung und Recycling. Je länger ein Akkumulator genutzt und je hochwertiger er verwertet wird, desto besser ist seine ökologische Bilanz.
