Akku: Sorten und Entwicklung - Kochsalz kommt

E-Auto, Starter-„Batterie“, Handy, Elektrowerkzeug – Akkus (denn begrifflich es sind keine Batterien) werden überall verbaut. Ein Grund mehr, sich mal die Unterschiede der einzelnen Typen übersichtlich anzusehen – samt Vor- und Nachteilen.

Ein Akku ist eine sogenannte Sekundärzelle und lässt sich wieder aufladen, eine Batterie im Gegensatz ist eine Primärzelle. In galvanischen Zellen wird dabei chemische in elektrische Energie umgewandelt. Darin sind Anoden und Kathoden und die Wahl des Materials, aus dem sie bestehen, bestimmt unter anderem die Höhe der Spannung, die erzeugt wird. Im Bleiakku ist zum Beispiel die Nennspannung zwei Volt. Reiht man nun davon sechs Stück in einer Plastikkiste aneinander, ergibt das die bekannte „12V-Starterbatterie“ – eben aber eigentlich einen 12V-Akkumulator – im Auto. Auch ein Lithium-Akku ist eine galvanische Zelle, an deren Anode und Kathode eben Oxidation oder Reduktion stattfinden und Elektronen abgegeben oder aufgenommen werden.

Das Material bestimmt die Energiedichte

Das jeweilige verwandte Material bestimmt bei allen Akkumulatoren auch die Energiedichte, also wie viele Wattstunden (Volt x Ampere x Stunden) ein Akku pro Kilo abgeben kann. Das wiederum ist ein entscheidender Faktor für das Gewicht eines E-Autos – und ebenfalls ergibt sich daraus auch, wieviel Platz die jeweilige Akkuart benötigt. Ein Lithium Akku ist beispielsweise ein Drittel so groß wie ein genauso viel leistender Bleiakku.

Interessant ist dann auch noch der Ladewirkungsgrad des Akkus. Dies sagt aus, wieviel von den eingespeisten Kilowatt am Ende abrufbar sind. Werden hier zum Beispiel 80 Prozent angegeben, bedeutet es, dass bei eingespeisten 2 kW/h dann nur 1,6 kW/h im Akku abrufbar sind (unbesehen der Wärmeverluste der Ladegeräte – diese kommen beim Einspeisen noch on Top!).

Alle Infos zur Lebensdauer

Verschieden Akkus haben eine ebenso verschiedene Lebensdauer. Die Lebensdauer kann man etwas unterscheidlich betrachten. Einerseits nutzt sich der Akku durch das Be- und Entladen chemisch ab, es gibt also eine endliche Zahl an Ladezyklen, die materialbedingt schon unterschiedlich ist. Dazu kommt noch, wie der Akkuschröpfer seinen Akku benutzt: Ganz leer auf ganz voll ist dabei oft wesentlich schlimmer als Teilentladungen. Auch dies hängt vom Typ und auch der Art des Ladens ab. Und dann wird die Lebensdauer schlicht durch die chemisch bedingte Alterung der jeweiligen Materialien begrenzt.

Ladedauer: Ebenso unterscheidet sich je nach Akku-Typ die Höhe des möglichen Ladestroms und damit die Fähigkeit, in welcher Zeit er „voll“ werden kann – Beispiel Porsche Taycan: in 22 Minuten von fünf Prozent auf 80 Prozent – ein circa 80 kWh Akku!

Natürliche Entladung

Jeder Akku entlädt sich mit der Zeit selbst. Ein netter Film-Fail, wenn dann oft in Zombie- oder Endzeitfilmen ein Auto nach Jahren gestartet werden kann - unbesehen der dauersaugenden Verbraucher wie einer Uhr. Auch hier unterscheiden sich die Akku-Typen wieder.

Bleiakku

Alle Akkus brauchen einen Elektrolyten zwischen Anode und Kathode (+/-), in dem die chemischen Prozesse ablaufen. Ein Nass-Akku benutzt eingefüllte Säure – hier Schwefelsäure. Servicefrei bedeutet (leider), dass man die Säure im Falle von Verdunstungen schwerlich nachfüllen kann – was in eher wärmeren Gefilden ein Problem darstellt. Alle haben zudem eine Entlüftung, können also auch auslaufen. Es gibt hierbei bauartbedingt Starterakkus (für kurze, hohe Ströme) und Traktionsakkus (Versorger, geringere Ströme). Eine hohe Selbstentladung, geringe Haltbarkeit und das hohe Gewicht sind Nachteile – der Preis, die gute Grundmaterialverfügbarkeit (in der EU sind etwa 55 Prozent bereits recycelte Akkus) und die einfache Handhabe und Technik sind Vorteile.


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AGM

Ein AGM-Akku ist eigentlich nichts anderes. Der Elektrolyt ist lediglich in einem Mikro-Glas-Vlies gebunden, sprich es läuft nichts aus – egal in welcher Lage. Ein Überdruckventil regelt im Notfall den Abfluss überschüssigen Gases. Ebenfalls gibt es Starterakkus und Traktionsakkus. Ein AGM kann jedoch doppelt so schnell beladen werden, hält aber auch nicht länger.
Gel-Akku Der Elektrolyt ist bei dieser Konstruktion mit Kieselsäure gebunden. Es tritt dadurch keine verschleißende Säureschichtung ein, durch welche sich unterschiedliche Säuregrade oben oder unten absetzen und zu unterschiedlicher Beladung führen können. Die Akkus sind deutlich langlebiger – jedoch aufgrund des höheren Innenwiderstandes nicht als Starterakkus geeignet. Blei bleibt schwer!

Gel-Akku

Der Elektrolyt ist bei dieser Konstruktion mit Kieselsäure gebunden. Es tritt dadurch keine verschleißende Säureschichtung ein durch welche sich unterschiedliche Säuregrade oben oder unten absetzen und zu unterschiedlicher Beladung führen. Die Akkus sind deutlich langlebiger – jedoch aufgrund des höheren Innenwiderstandes nicht als Starterakkus geeignet. Blei bleibt schwer!

Nickel

Nickel-Cadmium (NiCd) und Nickel-Metallhydrid (NiMH) haben eine gute Energiedichte und einen großen Temperaturarbeitsbereich. NiCd-Akkus sind seit 2017 verboten. NiMH-Akkus sind weit verbreitet und besitzen nochmal mehr Energiedichte. Ein Metallhydrid-Pulver auf einer Lochfolie aufgetragen ergibt die negative Elektrode, darauf kommt der Separator, der den Elektrolyten trägt (beispielsweise 20 Prozent Kalilauge), darauf kommt die positive Elektrode (Nickeloxidhydrat): rollen und fertig ist die Zelle (1,2 V). Nachteil: etwas höhere Selbstentladung als Bleiakkus oder Lithium-Ionen, (reversibler) Memory-Effekt, geringe Zellspannung (1,2 V) = viele Zellen benötigt = Fehlerquelle wächst. Vorteil: robust, verträgt Tiefentladung, temperaturbeständig, schnelle Aufladung.

Lithium

Eine sehr hohe Energiedichte ist wohl der größte Vorteil – denn ein vergleichbarer Bleiakku wiegt schlicht mehr als das Doppelte. Dafür braucht ein Lithium-Akku eine ausgeklügelte Regeltechnik (Balancer), die dafür sorgt, dass die Spannungen der Zellen gleichbleiben. Bei den „Lithium-Eisenphosphat Akkus“ besteht die positive Elektrode aus selbigem und der negative Pol aus Grafit. Andere Lithium-Akkus verwenden noch Kobalt. Man darf gespannt sein, wie lange Lithium noch zu derzeitigen Preisen verkauft werden kann – auch der umweltproblematische Abbau in Trockenregionen beispielsweise in Südamerika sowie die Entsorgung sind keinesfalls geregelt, obwohl die Akkus überall verbaut werden. Hersteller kommen dafür zum Teil aber schon auf Energiedichten bis zu 250 Wh/kg – was schon zu 1.000 km+ führt, ohne Stromsparer zu bauen.

Salzakkus Ausblick

Schon seit den 70ern werden in Südafrika Zebra-Zellen (Zero Emission Battery Research Activities) entwickelt und seit Langem weltweit in E-Autos (beispielsweise Twingo, Smart, Panda, einige Busse) und als Speicher eingesetzt. Statt flüssigem Elektrolyt gibt es einen Festen und eine Kombination aus festen und flüssigen Elektroden. Rolls Royce oder General Electrics bieten als Bei spiele Akkus mit 50 -100 kWh an die in Modulen bis zu sechs MWh bei einem MW Output kombi niert werden können. Massiv also. Und benötigt wird im Grunde Nickel, Natrium und Kochsalz, Natriumchlorid, je nach Typ noch Eisen, Kupfer, Aluminiumhydroxid – teils preiswerte Stoffe also. Wird der Akku erhitzt, so werden im festen Koch salz ab 270 Grad die Natriumionen beweglich. Nachteil: kalt läuft nix, Heizung, Isolation. Vorteil: hohe Energiedichte, kalt unbegrenzt lagerbar, flotte Ladung. Und dann gibt es noch den wohl von Firmen wie CATL (Zulieferer von Tesla im Batteriebereich) oder Faradion ab 2023 in Masse produzierten Natrium-Ionen-Akkumulator für eben mobile Anwendungen: Und das mit 90 Prozent der Energiedichte eines Lithium-Eisenphosphat-Akkus – zu etwa 30 bis 40 Prozent der Kosten trotz teurer Elektroden. Ein dabei verwandter organischer Elektrolyt wie Propylencarbonat hat seinen Schmelzpunkt bei -48 Grad – er funktioniert also bei normaler Umgebungstemperatur und wer Lithium-Akkus baut, der kann auf den Maschinen auch Salzakkus bauen. Das hat Potential!

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