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Den perfekten Akku, der universell für alle Anwendungen geeignet ist, gibt es nicht. Für jede industrielle Anwendung stellt sich zunächst die Frage, welche Eigenschaft die ausschlaggebende sein muss und welchen äußerlichen Bedingungen der Akku ausgesetzt sein wird. Neben der Energiedichte sollten demnach auch immer Faktoren wie Lebenserwartung, Ladecharakteristik, Unterhaltungsaufwand, Selbstentladung und Betriebskosten berücksichtigt werden.
Energie für jeden Zweck
Wie im Konsumerbereich sind auch für den industriellen Einsatz Energiespeicher mit hoher Kapazität gefragt. Zählt im Konsumbereich mehr die Bequemlichkeit, ist im kommerziellen Einsatz auch hohe Zuverlässigkeit gefragt. Die Firma texcus hat für beide Anwendungsbereiche Ni-MH- und Li-Ionen-Akkus im Angebot. Eine Besonderheit stellen die vorgeladenen Ni-MH-Akkus dar, die die Vorteile von batterien und Akkus vereinen.
Nickel-Cadmium basierende Akkus
Nickel-Cadmium-Akkus (Ni-Cd) gehören zu den dauerhaftesten Akkutypen. Ihr großer Vorteil ist ihre Widerstandsfähigkeit. Sie sind extrem kälteresistent (bis zu einer Temperatur von -40° Celsius) und lange lagerfähig. Sie können außerdem unbeschadet über 1000 Ladezyklen überstehen. Problematisch sind Ni-Cd-Akkus aber leider aufgrund ihrer relativ hohen Umweltbelastung durch das enthaltene Cadmium. Heute ist der Betrieb von Nickel-Cadmium-Akkus selbst in Spezialgebieten verboten.
Nickel-Metallhydrid – Akkus mit Potenzial
Inzwischen ist der Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) zu dem Standard geworden und hat den Ni-Cd-Akku abgelöst (Bild 1).
Bild 1: NiMH-Akku gibt es heute als Standard mit Kapazitäten um 2700 mAh.Texcus
NiMH-Akkus erreichen eine bis zu 40 % höhere Kapazität als Ni-Cd-Akkus und bieten für die Zukunft sogar noch mehr Potenzial. Der Memory-Effekt – also das Phänomen, dass sich bei nicht vollständig entladenen Akkus bei wiederholten Neuladungen grundsätzlich ihre Speicherkapazität verringert – ist hier kaum vorhanden und ist vollständig reversibel, wenn die Zellen komplett entleert und dann wieder geladen werden. Auch das geringe Gewicht und die bessere Umweltverträglichkeit sprechen für den NiMH-Akku. Ihre hohe Qualität zeigt sich auch darin, dass sie erst nach etwa 1000 Ladezyklen in ihrer Leistungsfähigkeit abnehmen, leider aber auch bei Lagerung unter hohen Temperaturen. Optimale Lagerbedingungen für den NiMH-Akku sind kühle Orte bei einem Ladezustand von ca. 40 %. Die Selbstentladung von herkömmlichen NiMH-Zellen ist relativ hoch. Schon nach vier Wochen Lagerung ohne Gebrauch verliert er zwischen 20 und 50 % seiner Ladung. Auch beim Aufladen ist Vorsicht geboten, denn Nickel-Metallhydrid entwickelt mehr Wärme während der Ladung und erfordert eine längere Ladezeit als Nickel-Kadmium. Spezielle Ladegeräte sind nötig, die die Wärmeentwicklung abfangen und eine Überladung verhindern.
Vorgeladene NiMH-Akkus – die Lösung
Das herkömmliche Problem der Akkus – die Selbstentladung bei Lagerung ohne Gebrauch – lösen spezielle NiMH-Akkus mit stabiler Ladung, die so genannten Ready-to-use-Akkus (Bilder 2 und 3).
Bild 2: Vorgeladene Ni-MH-Akkus kombinieren den Vorteil von Batterien und Akkus.Texcus
Bild 3: Vorgeladene Ni-MH-Akkupack für den industriellen Einsatz, hier 4er-Pack mit 2100 mAh Zellen. Es gibt sie auch als 1er-, 2er- und 3er-Pack.Texcus
Sie kombinieren die Vorteile der Einwegbatterie – die sofortige Einsatzbereitschaft und lange Lagerfähigkeit – mit den Eigenschaften eines Akkus, nämlich Wiederaufladbarkeit und langer Lebenszeit. Es handelt sich dabei um eine der modernsten Technologien auf dem Batteriemarkt. Erstmals wurden Ready-to-use-Akkus 2005 eingeführt, heute gelten sie bereits als diejenigen Akkus mit den größten Wachstumsraten. Sie können problemlos bis zu 1000 mal wieder neu geladen werden und weisen auch eine viel geringere Selbstentladung auf als andere Typen: Nach einem halben Jahr liegt die verfügbare Kapazität bei 90%, nach einem Jahr sogar noch bei 80%.
Betrachtungen zum Thema Kapazität
In der praktischen Anwendung taucht häufig das Problem auf, dass die angegebene Leistung nicht oder nicht mehr der tatsächlich abrufbaren Leistung entspricht. Die Gründe dafür sind in verschiedenen Phänomenen zu suchen. Allen voran steht der natürliche Alterungsprozess des Akkus: Die Kapazität nimmt mit zunehmenden Gebrauch und Alter ab. Bei Nickel-basierenden Akkus kann man diesem Effekt entgegen wirken, indem man die Zelle alle ein bis zwei Monate voll entlädt. Bei Lithium-Ion-Akkus hilft allein eine optimale Lagerung, um die Zelle möglichst lange leistungsfähig zu halten. Ein weiteres Kriterium für diese Differenz kann ein erhöhter Innenwiderstand sein. Bei einem niedrigen Innenwiderstand kann die Zelle auf Abruf hohe Energiewerte zur Verfügung stellen. Ist der Innenwiderstand jedoch erhöht, bricht die Spannung bei großer Belastung zusammen. Ein hoher Innenwiderstand kann ebenfalls durch eine richtige Lagerung vermieden werden. Im Laufe der Zeit unterliegt jede Zelle zudem einem Selbstentladungsprozess. Höhere Temperaturen unterstützen die Selbstentladung, ebenso wie Alter und wiederholter Gebrauch, wobei die unterschiedlichen Zelltypen auch einem unterschiedlichen Grad an Selbstentladung unterliegen – Blei- und Lithium-Akkus weisen hier die besten Werte auf. Bei einigen Geräten – vor allem solche mit hohen Spannungsspitzen – tritt außerdem das Phänomen der verfrühten Spannungsabschaltung auf. Die Restenergie bleibt ungenützt.
Lithium-basierende Akkus – Lithium-Ion
Neben NiMH-Akkus bieten auch Lithium-Ion-Zellen eine höhere Kapazität als Ni-Cd-Akkus. Heute haben sie im Bereich von tragbaren Kommunikations- und IT-Geräten eine Spitzenposition eingenommen. Sie verfügen über eine hohe Energiedichte und damit über die Möglichkeit zu noch höheren Kapazitäten. Die Selbstentladung beträgt weniger als die Hälfte aller Nickel-basierenden Zellen – ein unschlagbarer Vorteil für Anwendungen mit längeren nutzungsfreien Zeiträumen. Da Lithium-Ion-Akkus keinen Memory-Effekt zeigen, ist auch eine regelmäßige Entladung nicht nötig und der Wartungsaufwand damit erheblich reduziert.
Bild 4: In einer Vielzahl von Multi- meter und anderen Handheld-Mess-geräten kommt die 9-V-Blockbatterie (Alkaline) zum Einsatz und liefert wegen der modernen Schaltungs-technik dieser Geräte Strom für viele Betriebsstunden. Es gibt sie auch als Ready-toTexcus
Doch auch Lithium-Ion-Akkus sind temperaturanfällig und verlangen eine kühle Lagerung, sonst reduziert sich ihre Lebensdauer merklich. In Anwendungen mit starker Belastung sind Lithium-Ion-Zellen aufgrund des mittleren Entladestroms fehl am Platz. In der Herstellung sind sie relativ aufwendig und damit teurer als zum Beispiel Nickel-Cadmium. Auch Sicherheitsaspekte sollten bei der Wahl eine Rolle spielen, denn Lithium-Ion benötigt eine Schutzschaltung, um Spannung und Strom innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten. Lithium-Ion-Zellen werden heute bevorzugt in Notebooks oder Handys eingesetzt.
Lithium-Polymer-Akkus
Lithium-Polymer ist ein noch relativ junger Akku-Typ. Er verwendet im Gegensatz zu anderen Modellen ein festes oder gelartiges Elektrolyt, Leitsalze, die auslaufsicherer und preiswerter sind als flüssige Elektrolyte. Aufgrund ihrer physikalischen Beschaffenheit benötigen sie kein Metallgehäuse und können besonders flach verbaut werden.
Bild 5: Lithium-Knopfzellen, hier Typ 2330 sind ebenfalls im Angebot von texcus. Sie finden Einsatz in abgesetzten Messapplikationen und überall dort, wo Platz ein Kriterium ist bei geringem Kapazitätsbedarf.Texcus
Damit sind sie für Anwendungen in modernen digitalen Geräten besonders geeignet. Sie verfügen aber im Vergleich zu Lithium-Ion-Akkus über eine kleinere Energiedichte und erreichen weniger Ladezyklen. In der Herstellung sind sie außerdem vergleichsweise aufwändig. Empfindlich reagieren Lithium-Polymer-Akkus auf Kurzschlüsse, Überladung, Tiefenladung sowie zu hohe oder tiefe Temperaturen. Sie erfordern daher eine Schutzschaltung und spezielle Ladegeräte. Hauptanwendungsgebiet von Lithium-Polymer-Akkus sind Handys.
Weitere Akku-Typen
Zink-Luft-Akkus sind technisch noch nicht voll ausgereift. Allerdings sind sie umweltfreundlich und in der Herstellung und Materialbeschaffung extrem preiswert. Bei richtiger Lagerung in einem sauerstoffleeren Umfeld ist die Selbstentladung sehr gering. Um Energie abzugeben, benötigt er hingegen Sauerstoff. Im Vergleich zum Lithium-Ion-Akku verfügt er über eine dreimal höhere Kapazität und auch hier spielt der Mermory-Effekt keine Rolle. Heute findet er aufgrund seiner hohen Energie bereits Einsatz in Hörgeräten oder Personenrufgeräten. Wiederverwendbare Alkaline-Zellen verfügen zwar über eine lange Lagerfähigkeit, überstehen allerdings nicht viele Ladezyklen und haben nur einen tiefen Ladestrom.
Bild 6: Ladegeräte für den professionellen Einsatz im Labor verarbeiten die verschiedensten Akkutypen, ein LCD-Display gibt Auskunft über den Ladefortschritt, fortschrittliche Ladealgorithmen verhindern Erwärmung und Überladung. Texcus
Heute werden sie bevorzugt für Applikationen mit wenig Energiebedarf, z.B. in Geräten der Unterhaltungselektronik oder Blitzlichten eingesetzt. Die älteste wiederaufladbare Zelle ist der Blei-Säure-Akku. Er findet heute noch Einsatz in Anwendungen, in denen Herstellung und Unterhalt für neuere Technologien zu teuer und aufwändig wären. Leider erlauben Blei-Säure-Akkus nur eine eingeschränkte Zahl an kompletten Entladungen. Klassisches Einsatzgebiet sind zum Beispiel Notstromanlagen, die nur selten einer solchen Entladung ausgesetzt sind. Auch das Gewicht der Akkus grenzt die möglichen Anwendungen auf stationäre oder bestenfalls fahrbare Applikationen ein. Nicht zuletzt ist der Akku aufgrund seines Blei-Anteils nicht umweltverträglich, kann auch nicht schnell geladen oder im ungeladenen Zustand gelagert werden. Dagegen stehen die Vorteile des Blei-Säure-Akkus: Die Technologie ist zuverlässig, wenn sie richtig behandelt wird, und erfordert keine Wartung, da sie keinen Memory-Effekt kennt. Der Grad der Selbstentladung ist unter allen wiederaufladbaren Typen der geringste und hohe Entladeströme sind garantiert.
René Reif
(sb)
