Akkus, auch
Sekundärelemente genannt, zählen zu den elektrochemischen
Energiewandlern. Sie können chemisch gespeicherte Energie in
elektrische Energie umwandeln - und umgekehrt. Letzteres können
herkömmliche Batterien (Primärelemente) nicht.
Ein Akku funktioniert
wie folgt: In einem Behälter befindet sich eine elektrisch leitende
Flüssigkeit (Elektrolyt). Darin sind zwei unterschiedliche leitfähige
Metalle (Elektroden) eingetaucht. Sie erzeugen durch die verschiedenen
chemischen Zusammensetzungen untereinander eine Spannung. Diese
Eigenschaft von Metallen entdeckte Alessandro Volta 1793 und
definierte sie in der "Voltaschen Spannungsreihe". Sie besagt: Je
weiter zwei bestimmte Metalle in der Spannungsreihe auseinander
liegen, desto höher ist die elektrische Spannung zwischen diesen
Elementen.
Im Elektrolyt trennt
eine poröse Wand (Separator) die beiden Metallelektroden (Anode und
Kathode), um einen Kurzschluss durch Berührung zu vermeiden. An der
Anode herrscht Elektronenüberfluss und an der Kathode
Elektronenmangel. Diese Elektronendifferenz definiert die elektrische
Spannung. Ein Verbraucher zwischen den Elektroden ermöglicht den
Elektronen, die Spannung abzubauen. Den Elektronenfluss von der Anode
zur Kathode bezeichnet man als elektrischen Strom. Die Strommenge, die
ein Akku über ein Zeitintervall abgeben kann, heißt Kapazität.
Für einen ständigen
Elektronenfluss muss der Stromkreislauf auch im Elektrolyt geschlossen
sein. Das übernimmt der elektrochemische Prozess im Elektrolyt durch
Oxidation und Reduktion der entsprechend verwendeten Metalle. Es
entsteht ein Ionen-Strom, der im Elektrolyt von der Kathode durch den
Separator zur Anode fließt. Wird der Stromkreislauf unterbrochen,
stoppt der Prozess der "Entladung" - allerdings nicht vollständig.
Bedingt durch einen temperaturabhängigen Reaktionsprozess im Akku
wandern Ladungen zwischen den Elektroden und entladen das chemische
System. Man spricht dabei von Selbstentladung. Je nach Akkutyp beträgt
sie bis zu 30 Prozent der gespeicherten Kapazität pro Monat.
Um einen Akku
aufzuladen, pumpt ein Ladegerät Elektronen von der Kathode zur Anode
und reaktiviert die entladenen Elektroden. Der Lade- und
Entladevorgang lässt sich je nach Akkutyp bis zu etwa 1000 Mal
wiederholen.
Mit
der zunehmenden Anforderung von mobilen Geräten an Akkus, hohe und
konstante Ströme über einen langen Zeitraum zu liefern, entwickelten
die Ingenieure den Nickel-Metallhydrid-Akku. Seine Elektroden sind von
einem alkalischen Elektrolyt umgeben. Der Pluspol der Energiezelle
enthält Nickel-Hydroxid, und der Minuspol besteht aus einer
Metalllegierung, die Wasserstoff binden kann. Der Aufbau gasdichter
NiMH-Akkus entspricht prinzipiell denen von NiCd-Zellen.
Der
Lithium-Ionen-Akku ist die jüngste Evolution in der Akkutechnologie.
Er besitzt mit 90 bis 110 Wh/kg die höchste spezifische Energie unter
den wiederaufladbaren Systemen. Ein zusätzliches Plus besteht in der
geringen Selbstentladung und somit über lange Lagerfähigkeit ohne
erneutes Aufladen der Zellen. Ein besonderer Vorteil der
Lithium-Ionen-Technologie ist. dass weder Memory-Effekt noch
Lazy-Battery-Effekt auftreten. Auch liefert die Lithium-Ionen-Zelle
über den gesamten Entladezeitraum eine nahezu konstante
Ausgangsspannung, die deutlich über der Nennspannung von zirka 3,6 V
liegt.