Akku

Ein Akku (kurz für: Akkumulator) ist ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Im Gegensatz zur Batterie ist er wiederaufladbar. Akkumulatoren sind in zahlreichen standardisierten Größen erhältlich und dienen als vom Stromnetz unabhängige Stromquelle. Sie finden sich in elektronischen Verbrauchern wie z.B. Notebooks, Mobiltelefonen, Kameras und auch Kraftfahrzeugen. Die Kapazität wird in Amperestunden angegeben.

Die Stromerzeugung erfolgt durch das Umwandeln chemischer Energie in elektrische Energie. Durch chemische Reaktionen entstehen negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen in unterschiedlichen Mengen. Dieser Ladungsunterschied erzeugt eine Spannung zwischen den Polen des Akkus. Wenn ein Stromkreis an die Pole angeschlossen wird, gleicht sich der Ladungsunterschied zwischen den Polen aus. Außerhalb des Akkus geschieht dies in Form eines Elektronenflusses durch den angeschlossenen Stromkreis und innerhalb des Akkus durch Ionenfluss im Elektrolyt (Material zwischen den Elektroden, das nur die positiv geladenen Ionen transportiert). Im Unterschied zur Batterie ist die chemische Reaktion beim Akku umkehrbar, durch Zuführung elektrischer Energie kann der ursprüngliche Elektronenüberschuss wiederhergestellt, der Akkumulator wieder aufgeladen werden. Auch wenn der Akku nicht benutzt wird, läuft die chemische Reaktion verlangsamt weiter, der Akku entlädt sich mit der Zeit selbst. Bedingt durch diese Selbstentlandung müssen Akkus bei Nichtbenutzung regelmäßig geladen werden. Bei längerer Lagerung empfiehlt sich eine kühle und trockene Lagerung. Akkumulatoren unterscheiden sich hauptsächlich in den für Elektroden benutzten Materialien und den Elektrolyten. Im Folgenden werden die handelsüblichen Bauarten beschrieben und verglichen.

Der Blei-Säure-Akkumulator basiert auf Elektroden aus Bleidioxid und Bleiplatten, als Elektrolyt kommt konzentrierte Schwefelsäure oder schwefelsäurehaltiges Gel zum Einsatz. Aus dieser Bauform können kurzzeitig hohe Strommengen entnommen werden, außerdem ist sie vergleichsweise preiswert herzustellen. Blei-Säure-Akkumulatoren werden als Kfz-Starterbatterie und für unterbrechungsfreie Stromversorgungen benutzt. Sie sind jedoch relativ schwer und das enthaltene Blei ist hochgiftig.

Nickel-Cadmium-Akkumulatoren bestehen aus Cadmium- und Nickel-Hydroxid-Elektroden, Kaliumhydroxid kommt als Elektrolyt zum Einsatz. Diese Bauart liefert hohe Energiemengen und ist über eine lange Lebensdauer sehr belastbar. Wenn Nickel-Cadmium-Akkumulatoren nicht vollständig entladen werden, tritt mit der Zeit ein Memory-Effekt auf: Der Akku "merkt" sich den Entladungsstand und kann künftig nur noch bis zu diesem Ladestand entladen werden, ein Teil der Kapazität geht verloren. Mit mikroprozessorgesteuerten Ladegeräten und mehrfachen kompletten Lade- und Entladezyklen lässt sich dieser Effekt weitgehend beseitigen. Cadmium ist hochgiftig und muss gesondert entsorgt werden. 

Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren verfügen über einen ähnlichen Aufbau wie Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, sind jedoch frei von giftigen Stoffen. Die Elektroden bestehen aus Nickelhydroxid und einer Metalllegierung, sie sind von alkalischem Elektrolyt umgeben. Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren können konstant hohe Ströme abgeben und weisen eine höhere Energiedichte auf als Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Sie sind darüberhinaus ungiftig und nach Möglichkeit dem Cadmium-Pendant vorzuziehen. Der Memory-Effekt tritt nicht auf, dafür existiert mit dem Lazy-Battery-Effekt bei Teilentladung ein ähnliches, aber wesentlich schwächer ausgeprägtes, Symptom. Mit geeigneten Ladegeräten lässt sich der Lazy-Battery-Effekt vermeiden.

Eine moderne Neuentwicklung in der Akkutechnik sind Akkumulatoren auf Lithiumbasis. Sie zeichnen sich durch hohe Energiedichte und hohes Speichervermögen aus und sind nicht vom Memory- oder Lazy-Battery-Effekt betroffen. Die Entladung verläuft gleichmäßig mit geringem Spannungsabfall. Chemisch bedingt sind ein stabiles Gehäuse und spezielle Ladeelektronik notwendig. Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind vergleichsweise teuer. Bedingt durch hohe Energiedichte, hohe Zellspannung und geringen Spannungsabfall werden sie bevorzugt für Handys und Notebooks eingesetzt.

Lithium-Polymer-Akkumulatoren ähneln im Aufbau den Lithium-Ionen-Akkus. Sie verwenden allerdings ein Feststoffelektrolyt und können in der Form frei gestaltet werden. Sie benötigen kein Gehäuse, eine Folie genügt. Damit eignet sich die Bauform insbesondere für in Smartphones, Tablets und Notebooks fest verbaute Akkus, die den verfügbaren Platz optimal ausnutzen.

Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus sind technisch nahezu ausgereizt. In den vergangenen Jahren gewannen die Akkus auf Lithiumbasis stark an Bedeutung, insbesondere für mobile Geräte wie Smartphones, Tablets und Notebooks. Diese Akkus werden künftig weitere Verbesserungen erfahren. Neue Bauarten, wie der Zink-Luft-Akku, befinden sich derzeit in Entwicklung, bedürfen jedoch noch weiterer Forschung bis zur Marktreife.