Sekundärelemente

Ein Sekundärelement – im Alltag Akku – ist ein galvanisches Element, dessen Reaktion sich umkehren lässt. Beim Entladen liefert es wie eine Batterie Strom; beim Laden zwingt eine äußere Spannung die Reaktion zurück, und die Zelle arbeitet als Elektrolysezelle. Damit das Hunderte oder Tausende Male klappt, müssen die Reaktionsprodukte an den Elektroden bleiben und dürfen sich beim Hin und Her kaum verändern. Ältere Namen für den Akku sind Akkumulator oder Sammler – er sammelt die zugeführte elektrische Energie als chemische Energie.

Anders als eine Batterie ist ein Sekundärelement nach dem Zusammenbau meist noch keine brauchbare Spannungsquelle: Die Elektroden liegen im entladenen Zustand vor, und erst die erste Ladung beim Hersteller (das Formieren) baut die aktiven Stoffe auf. Eine Lithium-Ionen-Zelle etwa wird mit leerem Graphit und lithiumhaltigem Metalloxid gefertigt; ihr Lithium wandert erst beim Laden in den Graphit.

Laden ist Elektrolyse

Beim Entladen gibt die negative Elektrode Elektronen ab (Oxidation), die positive nimmt sie auf (Reduktion). Beim Laden schiebt das Ladegerät die Elektronen in umgekehrter Richtung durch die Zelle: An der negativen Elektrode findet jetzt Reduktion statt, an der positiven Oxidation.

Streng genommen tauschen Anode und Kathode dabei ihre Rollen. Bei Akkus hat sich aber eingebürgert, die Bezeichnungen vom Entladen beizubehalten: Mit „Anode“ ist im Datenblatt einer Lithium-Ionen-Zelle immer die negative Graphitelektrode gemeint.

Bleiakku

Der Bleiakku ist der älteste technisch genutzte Akku (1859) und steckt bis heute in Autos, USV-Anlagen und Notstromversorgungen. Die negative Elektrode besteht aus porösem Blei, die positive aus Bleidioxid, der Elektrolyt ist verdünnte Schwefelsäure. Beim Entladen wird an beiden Elektroden Bleisulfat gebildet:

Von links nach rechts gelesen ist das die Entladung, von rechts nach links die Ladung. Weil dabei Schwefelsäure verbraucht und Wasser gebildet wird, sinkt die Säuredichte – sie verrät bei offenen Akkus den Ladezustand. Eine Zelle hat 2,0 V Nennspannung, eine Autobatterie besteht aus sechs Zellen in Reihe.

Nickel-Metallhydrid

NiMH-Akkus haben die giftigen Nickel-Cadmium-Akkus weitgehend abgelöst. Die positive Elektrode enthält Nickeloxidhydroxid, die negative eine Metalllegierung, die Wasserstoff wie ein Schwamm einlagert – häufig auf Basis von Lanthan und Nickel (siehe Seltene Erden). Der Elektrolyt ist Kalilauge.

Die Nennspannung von 1,2 V liegt unter den 1,5 V einer Alkali-Batterie. Weil die NiMH-Spannung aber über die Entladung lange flach bleibt, ersetzen sie Batterien in den meisten Geräten problemlos. Moderne „Low Self Discharge“-Typen halten ihre Ladung über ein Jahr.

Lithium-Ionen

Lithium-Ionen-Akkus arbeiten nicht mit Auflösen und Abscheiden von Metall, sondern mit Interkalation: Lithium-Ionen wandern zwischen zwei Wirtsgittern hin und her und lagern sich zwischen deren Atomschichten ein. Die negative Elektrode ist Graphit, die positive ein Lithium-Metalloxid, etwa Lithium-Cobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (NMC) oder Lithium-Eisenphosphat (LFP).

Beim Entladen verlassen Lithium-Ionen den Graphit, wandern durch den Elektrolyten und den Separator zur positiven Elektrode. Die zugehörigen Elektronen fließen außen durch den Verbraucher. Beim Laden läuft alles umgekehrt.

Weil Lithium so unedel ist, liegt die Zellspannung bei 3,6 bis 3,7 V (LFP: 3,2 V) – Wasser würde bei dieser Spannung sofort zersetzt. Der Elektrolyt ist deshalb ein brennbares organisches Lösungsmittel mit gelöstem Lithiumsalz.

Kapazität, Energie und C-Rate

Die Kapazität Q in Amperestunden gibt an, wie viel Ladung eine Zelle liefern kann. Die gespeicherte Energie erhältst du durch Multiplikation mit der mittleren Spannung:

Ströme werden bei Akkus oft relativ zur Kapazität angegeben, als C-Rate: 1C ist der Strom, der den Akku in einer Stunde leert.

Laden mit Konstantstrom und Konstantspannung

Lithium-Ionen-Zellen werden nach dem CC/CV-Verfahren geladen: Zuerst mit konstantem Strom (CC), bis die Ladeschlussspannung erreicht ist – meist 4,2 V, bei LFP 3,65 V. Dann hält das Ladegerät die Spannung konstant (CV), und der Strom sinkt von selbst. Unterschreitet er etwa 0,05C, ist die Zelle voll.

Ladekennlinien im Überblick

CC/CV ist nur eine von mehreren Ladekennlinien. Sie beschreiben, wie ein Ladegerät Strom und Spannung über die Ladezeit führt, und werden mit Buchstaben abgekürzt:

Bei Bleiakkus liegt die Grenzspannung der IU-Ladung knapp unter der Gasungsspannung von etwa 2,4 V pro Zelle – darüber würde der Akku Wasser zersetzen und Wasserstoff freisetzen. Danach folgt oft eine U-Phase mit rund 2,25 V pro Zelle als Erhaltungsladung (IUU). NiMH-Lader laden mit konstantem Strom und erkennen das Ladeende am leichten Spannungsabfall (-ΔU) oder am Temperaturanstieg der vollen Zelle. Ein Vergleich aller Systeme folgt in Akkus im Vergleich.

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