Alles über Akkus — Li-Ion, NiMH & NiCd

Warum funktioniert ein Akku nach einer gewissen Zeit nicht mehr? Oder warum sind einige Akkus sehr groß und andere ganz klein?

Im folgenden Artikel finden Sie die grundlegenden Fakten über Akkus — unter anderem, welche Akkutypen es gibt, und worin die Vor- und Nachteile der jeweils verwendeten Akkutechnik liegen. Weitere Details erläutert das Profi-Wissen „Akkus — Li-Ion, NiMH und NiCd“ .

Ein Akku ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie.

Akkus bestehen aus zwei Elektroden — der Anode und der Kathode. Die beiden Elektroden werden durch einen Elektrolyt getrennt.

Beim Laden wird dem Akku elektrische Energie zugeführt und in chemische Energie umgewandelt. Beim Entladen wird die im Akku gespeicherte chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt.

Jeder Akkutyp muss auf eine spezielle Art geladen werden, damit er Energie aufnehmen kann. Daher gibt es verschiedene Ladegeräte für die unterschiedlichen Akkutypen.

Vier Akkutypen sind verbreitet: Nickel-Cadmium- (NiCd), Nickel-Metallhydrid- (NiMH), Lithium-Ionen- (Li-Ion) und Lithium-Polymer-Akkus (LiPo, LiPol). Welcher Akkutyp in einem Gerät steckt, entnehmen Sie entweder dem Aufdruck auf dem Akku - dort findet sich meist das Kürzel - oder dem Datenblatt, das entweder dem Akku oder dem Gerät beiliegt.

Nähere Informationen zu den unterschiedlichen Akkutypen lesen Sie im Abschnitt „Welche Akkutypen gibt es“.

Der Memory-Effekt Effekt tritt nur bei NiCd-Akkus auf. Der Akkutyp wird vor allem in kabellosen Werkzeugen wie Bohrschraubern oder He-ckenscheren verbaut. Der Memory-Effekt wird auch als Kapazitätsverlust bezeichnet. Das bedeutet: Wird ein NiCd-Akku immer nur teilweise entladen und anschließend wieder aufgeladen, bilden sich Kristalle. Die Kristalle verhindern, dass der Akku seine ganze Energie abgibt. In der Praxis macht sich das in einer kürzeren Akkulaufzeit bemerkbar.

Der Memory-Effekt ist jedoch reversibel und lässt sich durch mehrmaliges Entladen und anschließendes Laden mit einem entsprechenden Ladegerät fast vollständig beheben.

Dieses Phänomen trifft nur auf NiMH-Akkus zu. Dieser Akkutyp findet sich in elektrischen Zahnbürsten und den weit verbreiteten Rundzellenakkus wie AA, AAA oder Baby C. Wie beim Memory-Effekt entsteht der Batterieträgheits-Effekt, wenn die Akkus nur teilweise entladen und anschließend wieder geladen werden. In der Praxis macht sich der Batterieträgheits-Effekt — wie der Memory-Effekt — durch geringeres Durchhaltevermögen des Akkus bemerkbar. Der Grund ist aber ein anderer.

Durch teilweises Entladen und Laden sinkt langfristig die Spannung des Akkus. Die verminderte Leistung wird von Geräten wie Digitalkameras oft als Zeichen für schwache Akkus interpretiert.

Wie der Memory-Effekt ist der Batterieträgheits-Effekt durch mehrmaliges Entladen und Laden reversibel.

Hersteller von Geräten mit fest eingebauten NiMH-Akkus — etwa bei elektrischen Zahnbürsten — empfehlen daher, in periodischen Abständen das Gerät so lange zu nutzen, bis der Akku leer ist. Dadurch beugen Sie dem Effekt vor.

Unter Tiefentladung versteht man die Entladung eines Akkus bis unter die Entladeschlussspannung — also der Spannung, bis zu der er gefahrlos entladen werden darf. Wird diese Grenze unterschritten, kann der Akku irreversibel beschädigt werden. Damit das nicht passiert, sind Geräte, die von Li-Ion-Akkus angetrieben werden, mit einer Schutzelektronik ausgestattet. Sie verhindert, dass der Akku unter die Entladeschlussspannung entladen wird. Beim Erreichen der Grenze schaltet die Elektronik den Akku temporär ab.

Die chemischen Prozesse im Inneren des Akkus sind aber immer noch aktiv — der Akku entlädt sich also weiterhin selbst. Damit die Entladeschlussspannung durch Selbstentladung nicht unterschritten wird, sollte der Akku baldmöglichst wieder geladen werden.

Bei NiMH-Akkus gibt es diesen Schutz nicht, aber die meisten Geräte — etwa eine Taschenlampe oder ein Kassettenrekorder — gehen aus, bevor die Entladeschlussspannung erreicht ist.

Die Umgebungstemperatur hat einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines Akkus. So haben Akkus bei tiefen Temperaturen eine schlechtere Leistung als bei hohen Temperaturen.

Die Erklärung für dieses Phänomen ist recht simpel. Um die chemische Energie des Akkus in elektrische umsetzen zu können, benötigt der Akku eine gewisse Reaktionstemperatur. Liegt sie darunter — das ist ab etwa null Grad Celsius der Fall — erzeugt der Akku nicht mehr die erwartete Leistung. Ist der Akku hingegen wieder aufgewärmt, gibt er die restliche gespeicherte Energie wieder ab. Ähnliches gilt für große Hitze. Wird das Notebook oder das Mobiltelefon starker Sonneneinstrahlung ausgesetzt, kann der Akku bei hohen Temperaturen ab etwa 50 bis 60 Grad Celsius seine Leistungsfähigkeit verlieren oder im schlimmsten Fall komplett ausfallen. Die beste Leistung bringen Akkus bei einer Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius.

Akkus haben eine begrenzte Lebensdauer. Das bedeutet, sie lassen sich nicht beliebig oft wiederaufladen. Diese Spanne geben die Hersteller in Form von Ladezyklen an.

Wird beispielsweise bei einem C-Akku ein Ladezyklus von 1000 angegeben, kann der Akku bis zu 1000-mal vollständig geladen werden . Doch aufgepasst: Nicht jedes Laden des Akkus entspricht einem Ladezyklus — sondern nur eine 100-prozentige Ladung.

Ein Beispiel soll das verdeutlichen: Wenn Sie einen Akku um 50 Prozent entladen und dann wieder auf 100 Prozent aufladen, haben Sie einen halben Ladezyklus verbraucht. Erst wenn Sie den Akku wieder um 50 Prozent entladen und dann wieder auf 100 Prozent aufladen, ist ein vollständiger Ladezyklus erreicht.

Die Kapazität eines Akkus gibt an, wie viel elektrische Ladung der Akku speichern kann. Sie wird meist in der Einheit Milliampere-Stunden (mAh) oder als Energiekapazität in Watt-Stunden (Wh) angegeben und ist auf dem Akku aufgedruckt. Andere Begriffe für die Kapazität sind Ladungsträgerkapazität oder Nennladung.

Die Kapazität eines Akkus bestimmt die verfügbare Ladungsmenge über einen bestimmten Zeitraum und ist das Maß für die maximale Akkulaufzeit.

Daraus ergibt sich: Je höher die Kapazität, umso länger ist die Betriebszeit eines Notebooks oder Smartphones. Typische Akkukapazitäten bei Notebooks sind 50 bis 80 Watt-Stunden.

Auch wenn ein Akku im geladenen Zustand längere Zeit unbenutzt bleibt, ist der chemische Prozess innerhalb des Akkus weiterhin aktiv — der Akku verliert dadurch Energie.

Diese sogenannte Selbstentladung ist der Grund, weshalb ein Akku über Wochen oder Monate auch ohne Nutzung einen Teil seiner Kapazität verliert. Wie schnell sich ein Akku selbst entlädt, ist erstens von der Umgebungstemperatur abhängig und zweitens vom Ladezustand.

Als optimale Lagertemperatur für Akkus hat sich ein Temperaturbereich von null bis 25 Grad Celsius erwiesen. In diesem Bereich verliert ein Li-Ion-Akku pro Monat rund 1 bis 2 Prozent seiner Ladung.

Aber auch der Ladezustand des Akkus spielt bei der Selbstentladung eine große Rolle. So ist die Selbstentladung eines voll geladenen Akkus bei optimaler Lagertemperatur ungefähr doppelt so hoch wie bei einem Akku, der nicht voll geladen ist. In Tests erwies sich, dass sich Akkus mit einem Ladezustand von 40 bis 50 Prozent am wenigsten entladen.

In eine Plastiktüte eingewickelt, lagern Sie Ihre Akkus optimal im Kühlschrank. Um eine Tiefentladung zu vermeiden, sollten Sie die Akkus alle sechs bis zwölf Monate wieder auf 40 bis 50 Prozent aufladen.

Seit Ende 2005 gibt es spezielle NiMH-Akkus mit geringer Selbstentladung — LSD-NiMH-Akkus. Dieser Akkutyp wurde erstmals vom Batteriehersteller Sanyo unter dem Namen Eneloop auf den Markt gebracht.

Durch Modifikationen der Anode und Kathode mit speziellen Legierungen, einem neuen Separator und einem optimierten Elektrolyt wird dem Zerfall der Elektroden entgegengewirkt. Die Selbstentladung der Akkuzellen wird so gedrosselt.

Bei Eneloop-Akkus reduziert sich die Selbstentladung im Durchschnitt auf nur noch 1 bis 2 Prozent pro Monat. Diese Technik wirkt sich jedoch nachteilig auf die Kapazität des Akkus aus. So sinkt die maximale Kapazität bei LSD-NiMH-Akkus um 500 mAh auf 2500 mAh.

Mittlerweile gibt es diesen Akkutyp auch von anderen Herstellern wie Panasonic, Duracell oder Varta.

Die verschiedenen Akkutypen unterscheiden sich in Bezug auf ihre Energiedichte, die Nennspannung oder in der Lebensdauer.

Seit 2009 sind NiCd-Akkus verboten. Sie dürfen nur noch in Werkzeugen oder in Notfallsystemen verwendet werden.

Vorteile: NiCd-Akkus eignen sich besonders gut für Bohrschrauber oder Kreissägen. Auch sind sie relativ unempfindlich gegen tiefe Temperaturen und haben mit über 1500 Ladezyklen eine lange Lebensdauer.

Nachteile: NiCd-Akkus haben eine geringere Kapazität als andere Akkutypen und sind aufgrund des Cadmiums sehr umweltbelastend. Sie müssen vor dem Laden immer voll entladen werden — wegen des Memory-Effekts.

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Sehr weit verbreitet sind NiMH-Akkus. Fast alle Rundzellenakkus — wie AA oder AAA — basieren auf dieser Akkutechnik. Auch in elektrischen Zahnbürsten oder Werkzeugen sind diese Akkus häufig anzutreffen.

Vorteile: NiMH-Akkus haben bei gleicher Größe etwa 50 Prozent mehr Kapazität als NiCd-Akkus. Die Akkus dienen als Ersatz für Einwegbatterien.

Nachteile: Die Lebensdauer von 500 bis 1000 Ladezyklen ist geringer als die von NiCd-Akkus — eine Ausnahme sind die verbesserten LSD-NiMH-Akkus, für die die Hersteller ebenfalls 1500 Ladezyklen angeben.

Werden NiMH-Akkus nie vollständig entladen, kann der Batterieträgheits-Effekt auftreten, der die Kapazität vermindert.

Wo nur sehr kleine Akkus eingesetzt werden können, findet man meist Li-Ion-Akkus. Diese Akkus treiben Handys, Notebooks, MP3-Player oder Digitalkameras an . Li-Ion-Akkus kommen überwiegend dort zum Einsatz, wo viel Energie benötigt wird, für den Akku aber nur wenig Platz zur Verfügung steht.

Vorteile: Li-Ion-Akkus sind kleiner und leichter als NiMH-Akkus mit gleicher Kapazität. Li-Ion-Akkus haben keinen Memory- und keinen Batterieträgheits-Effekt. Die Selbstentladung ist sehr gering.

Nachteile: Die Lebensdauer liegt mit 500 bis 1000 Ladezyklen auf dem Niveau von NiMH-Akkus. Wegen der Spannung von 3,6 V gibt es keine Rundzellenakkus (AA, AAA) auf Li-Ion-Basis. Li-Ion-Akkus sind deutlich teurer als NiCd- und NiMH-Akkus.

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Die Weiterentwicklung der Li-Ion-Akkus sind die LiPo-Akkus. Aufgrund ihrer nahezu beliebigen Form werden sie etwa bereits in Tablets wie dem Samsung Galaxy Tab 10.1N verbaut . Künftig sollen sie auch in die Ultrabooks eingebaut werden.

Vorteile: Lithium-Polymer-Akkus sind nahezu beliebig formbar. Daher eignen sie sich sehr gut für Geräte, in denen nur wenig Platz vorhanden ist. Sie haben keinen Memory- oder Batterieträgheits-Effekt. Ihre Selbstentladung ist sehr gering.

Nachteile: LiPo-Akkus sind teuer. Die Lebenserwartung liegt mit 300 bis 600 Ladezyklen unter der von Li-Ion-Akkus. Wie die Li-Ion-Akkus eignen sich auch LiPo-Akkus wegen der Spannung von 3,6 V nicht als Rundzellenakkus.