Der steigende Wunsch nach Mobilität, fortschreitende Miniaturisierung und schaltungstechnische Optimierungen sind unter anderem die Auslöser für die zunehmende Verwendung von vom Netz unabhängiger elektrochemischer Energiespeichersysteme. Kurz "Batterien" genannt. Der Artikel will sich diesem Thema widmen, wobei folgende Punkte zur Sprache kommen werden:

       Wo der allgemeine Sprachgebrauch Batterien und Akkus unterscheidet, verwendet die Fachwelt allgemein den Begriff "Batterien". Dabei handelt es sich um einen übergeordneten Begriff für alle Arten netzunabhängiger elektrochemischer Energiespeichersysteme.

       Unterschieden werden zwei Klassen von Batterien: Primärbatterien (die "Batterien" des allgemeinen Sprachgebrauchs), die nicht für eine nochmalige Aufladung vorgesehen sind und Sekundärbatterien (die "Akkus" bzw. "Akkumulatoren" des allgemeinen Sprachgebrauchs), welche wiederaufladbar sind.

       Daneben gibt es noch einen "Zwischentyp" zwischen herkömmlicher Batterie und Akku: die aufladbare Batterie. Es handelt sich dabei um eine Alkali-Mangan-Batterie, die zwar wieder aufladbar ist, nach der Aufladung aber nicht mehr dieselbe Batterie-Kapazität wie vor der Entladung aufweist. Auch kann man sie nur begrenzt wieder aufladen (ca. 25 Zyklen).

       (Grundsätzlich lässt sich jede Alkali-Mangan-Batterie einige Male "aufladen". Allerdings handelt es sich mehr um eine Teilaufladung, die einer vorausgegangenen Teilentladung folgt, da Alkali-Mangan-Batterien keine Tiefentladung zulassen. Man sollte daher besser die Bezeichnung "Regeneration" verwenden.)

Gängige chemische Systeme für Primärbatterien: die Zink-Kohle- (Leclanché Element), Alkali-Mangan-, Zink-Luft-, Quecksilber-Oxid-, Silber-Oxid- und die Lithium-Batterie.

Gängige chemische Systeme für Sekundärbatterien: der Blei-, Nickel-Cadmium- (NiCd), Nickel-Metall-Hydrid- (NiMH) und der Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion).

       Neben den Ausführungen zum chemischen System soll hier vor allem auf das Entladeverhalten eingegangen werden. Wie verhält sich eine Batterie unter Last? Dabei werden Begriffe wie "Batterie-Kapazität", "Entladeschlussspannung", "Tiefentladungsbereich", "Innenwiderstand" u.a. eine wichtige Rolle spielen.

       Jede Batterie stellt einen elektrochemischen Energiewandler dar, der gespeicherte chemische Energie auf direktem Wege in elektrische Energie umwandeln kann. Ob Primär- oder Sekundärbatterie bzw. Batterie oder Akku - die Funktionsweise ist im Grunde immer die gleiche: Jeder Akku bzw. jede Batterie besteht aus mindestens einer oder mehreren einzelnen Zellen. Jede Zelle besteht wiederum aus drei Komponenten: der positiven Elektrode oder dem positiven Pol (Kathode), der negativen Elektrode oder dem negativen Pol (Anode) und einer Trennschicht, Elektrolyt genannt.

       Anode und Kathode bestehen aus unterschiedlichen Metallen oder Metall und Kohle. Werden diese Metalle in eine elektrisch leitende Flüssigkeit, den Elektrolyt, getaucht, so kann eine elektrische Spannung zwischen ihnen gemessen werden (galvanisches Element). Diese ist abhängig von der Fähigkeit der Oxidierbarkeit bzw. Reduzierbarkeit der an dem chemischen Prozess beteiligten Stoffe.

       Technisch gesehen besteht das Problem, dass an der Kathode Wasserstoff reduziert wird (Wasserstoffpolarisation). Dies würde normalerweise zu einer Wasserzersetzung und damit der Bildung von Wasserstoffgas führen. Der isolierend wirkende Wasserstoff unterbräche den Stromfluss und die Spannung würde auf Null sinken. (Durch den Spannungsabfall durch Wasserstoffpolarisation ist auch der Ladezustand ablesbar.) Im schlimmsten Fall käme es zu einer Explosion der Zellen. Abhilfe bietet ein sogenannter Depolarisator, der den Wasserstoff mit frei werdendem Sauerstoff zu Wasser verbindet. Bei diesem Depolarisator handelt es sich üblicherweise um ein Metalloxid, welches gleichzeitig die positive Elektrode bildet.

Ist eine Zelle geladen, so herrscht am negativen Pol (Anode) ein Elektronen-Überschuss. Werden nun negativer und positiver Pol über einen Verbraucher, z.B. eine Glühlampe, in Verbindung gebracht, so bewegen sich Elektronen vom negativen Pol über den Verbraucher zum positiven Pol bzw. von der Anode zur Kathode. Gleichzeitig findet über den Elektrolyten eine Ionenwanderung statt (Redoxreaktion): Es fliessen die positiv geladenen Kationen zur Kathode bzw. zum Pluspol, die Kathode wird reduziert. Die negativ geladenen Anionen fliessen zur Anode bzw. zum Minuspol, die Anode wird oxidiert.

Theoretisch hat ein galvanisches Element auf Grund der chemischen Spannungsreihe eine fest definierte Spannung. Wie jedoch bereits erläutert, gibt es beim Entladen u.a. das Phänomen der Wasserstoffpolarisation, welches sich trotz eines Depolaristors einstellt, wenn eine Zelle an ihre Kapazitätsgrenze kommt: Es werden die wässrigen Anteile des Elektrolyts zersetzt (neben dem Wasserstoff entsteht auch Sauerstoff). Das führt zum Sinken der Zellspannung.

Es ergibt sich ein typischer Spannungsverlauf: Bei einer Primärbatterie (hier eine Alkaline-Batterie) fällt die Spannung im ersten Viertel zunächst stark ab, um sich dann die Hälfte der Zeit im Bereich zwischen 1,2 und 1,0 Volt zu bewegen. Bei einer Sekundärbatterie (hier ein NiMH-Akku) ist der Spannungsverlauf deutlich stabiler. Allerdings erfährt er am Ende ebenfalls einen drastischen Spannungsabfall (siehe Abb. 3).

Daraus lassen sich zwei Schlüsse ziehen:

An den Entladekurven wird deutlich, dass die Spannung zunehmend geringer wird, wenn der Batterie Energie entnommen wird. Die Energiemenge nun, die einer Batterie vom frisch geladenen Zustand an entnommen werden kann, bis ihre Spannung einen spezifischen Minimalwert (die Entladeschlussspannung) erreicht, bezeichnet man als ihre Batterie-Kapazität (auch als Nennkapazität oder Standardkapazität bezeichnet). Unterhalb der Entladeschlussspannung, der Entladegrenze einer Batterie, liegt der Tiefentladungsbereich, die Batterie beginnt sich chemisch zu zersetzen.

       Unter Batterie-Kapazität versteht man also die verfügbare Elektrizitätsmenge einer Batterie oder Zelle. Sie wird in Ampèrestunden (Ah) bzw. milli-Ampèrestunden (mAh) angegeben. Aus diesem Wert lässt sich problemlos theoretisch die Zeit errechnen, welche eine bestimmte Energiemenge zur Verfügung steht: Beispielsweise hat eine Sekundärbatterie eine Batterie-Kapazität von 1100 mAh. Ein Verbraucher benötigt 50 mA (milli-Ampère). 1100 : 50 = 22 Stunden steht die gewünschte Energie zur Verfügung. In der Praxis sind die Zeiten allerdings immer etwas kürzer.

Eine Batterie zeigt einen deutlichen Spannungsabfall, wenn die Spannung unter Last gemessen wird. Spannung kann aber nur an einem Widerstand abfallen. Also kann man die Batterie selber als einen Widerstand auffassen, der dem Verbraucher vorgeschaltet wird und an dem die Restspannung abfällt. Batterie und Verbraucher bilden somit einen Spannungsteiler (siehe Abb. 4).

Der Widerstand nun, den die Batterie selber bildet, wird als Innenwiderstand (Ri) bezeichnet. Je grösser die Last an einer Batterie, d.h. je kleiner der "Aussen-Widerstand" (Last), desto schneller bricht die Spannung zusammen, desto weniger Strom kann fliessen. Man kann aber - in Anbetracht des Spannungsteilers - auch umgekehrt formulieren: Je kleiner der Innenwiderstand, desto langsamer bricht die Spannung zusammen, desto mehr Strom kann fliessen (siehe Abb. 5).

Der Innenwiderstand einer Batterie ist offensichtlich entscheidend für ihr Verhalten unter grossen Lasten. Insbesondere bei Sekundärbatterien handelt es sich um eine entscheidende Grösse. Denn nur Akkus mit niedrigem Innenwiderstand sind für Hochstromverbraucher geeignet. Den geringsten Innenwiderstand weisen hier NiCd-Zellen auf. Er beträgt im Durchschnitt etwa 16 mOhm (milli-Ohm), der von NiMH-Zellen liegt etwas höher bei etwa 22 mOhm. Besonders hoch ist der Innenwiderstand bei Li-Zellen (170 mOhm). Dieser sehr hohe Innenwiderstand macht diesen Sekundärbatterie-Typ für Hochstromverbraucher schlicht ungeeignet.

Die Bezeichnungen für Batteriegehäuse von Primär- und Sekundärbatterien scheinen zunächst etwas verwirrend. Beispielsweise kann eine einfache Stabbatterie mit Mignon-Gehäuse, wie sie beispielsweise für Rasierapparate oder Walkmans Verwendung findet, ganz unterschiedliche Bezeichnungen haben. Das liegt zum einen daran, dass die Normen (IEC, ANSI oder JIS) nicht verbindlich sind. Zum anderen unterscheiden sie teilweise nicht nur die Gehäusetypen (wie der Trivialname oder die heutige Verwendung der ANSI-Norm, sondern geben auch gleichzeitig Informationen über das angewandte elektrochemische System (IEC und JIS).

       Nur Batterien, die von der IEC (International Electrotechnical Commission) genormt wurden, besitzen eine eindeutige, international gültige Bezeichnung (z.B. Mignon-Alkaline = LR6, Mignon-Zink-Kohle = R6).

       Auf Grund ihrer Bekanntheit wird heute noch vielfach die "alte" ANSI-Norm (American National Standards Institut) verwendet. Ursprünglich bezeichnete sie eine Zink-Kohle-Batterie mit einem bestimmten Gehäuse (z.B. Mignon-Zink-Kohle = AA). Heute wird sie parallel zum Trivialnamen als reine Gehäusebezeichnung verwendet (z.B. Mignon = AA).

       Die JIS-Norm (Japanese Industrial Standard) wird teilweise ebenfalls noch wegen ihrer Popularität beibehalten. Wie auch die IEC-Norm bezeichnet sie neben dem Gehäuse gleichzeitig das chemische System (z.B. Mignon-Alkaline = AM3, Mignon-Zink-Kohle = UM3N). Das Gehäuse wird folglich durch das Kürzel M3 gekennzeichnet (z.B. Mignon = M3).

       Anschliessend folgt eine Übersicht über die gängigsten Batterieformen bzw. Gehäusetypen.

       Neben der Grösse einer Batterie, die sich relativ leicht bestimmen lässt, stellt sich die Frage, was für das jeweilige Gerät oder die jeweilige Nutzung besser ist: Eine Sekundärbatterie, eine Primärbatterie oder eine wiederaufladbare Batterie?

Sekundärbatterien eignen sich für

Primärbatterien (und bedingt auch wiederaufladbare Batterien) eignen sich für

Für Hör- oder Personenrufgeräte stehen als Alternative zu den bisher oft verwendeten quecksilberhaltigen Knopfzellen Zink-Luft-Knopfzellen zur Verfügung. Solche Produkte helfen, die Quecksilber- und Cadmiumbelastung der Umwelt zu reduzieren.

       Mit dem Begriff "Primärbatterien" werden die "Batterien" des allgemeinen Sprachgebrauchs bezeichnet. Das sind netzunabhängige elektrochemische Energiespeichersysteme, die nicht für eine nochmalige Aufladung vorgesehen sind. (siehe auch: "Funktionsprinzip" von Batterien und Akkus sowie den Abschnitt "Batterieformen (Gehäusetypen)")

       1792 entwickelte Graf Alessandro Volta (1745-1827) das sogenannte Voltasche Element (Kupfer, Zink, angesäuertes Wasser) und 1800 die Voltasche Säule (Kupfer- und Zinkplatten mit Zwischenschichten aus getränktem Filz). Durch Veränderungen des Voltaschen Elements erfand John Frederic Daniell (1790-1845) 1836 das erste konstante Element, welches keine Polarisationserscheinungen aufwies und im unbelasteten Zustand eine nahezu konstante Zellspannung von 1 Volt lieferte: das Daniellsche Element.

       Schliesslich entwickelte der Franzose Georges Leclanché (1839-1882) 1868 die nach ihm benannte Braunstein-Zelle: Ein von Braunstein umgebener Kohlestab steckt in einem Tonzylinder, der in Ammoniumchlorid steht, in welchem sich zusätzlich ein Zinkstab als negative Elektrode befindet. In abgewandelter Form wird dieses Leclanché Element als sogenannte Zink-Kohle-Batterie hergestellt.

       Hier eine tabellarische Übersicht über die chemische Zusammensetzung und die wichtigsten Merkmale sowie Verwendungszweck gängiger Batterie-Typen gegeben werden:

       Mit dem Begriff "Sekundärbatterien" werden die "Akkus" oder "Akkumulatoren" des allgemeinen Sprachgebrauchs bezeichnet. Das sind alle netzunabhängigen elektrochemischen Energiespeichersysteme, die ausdrücklich für eine nochmalige Aufladung vorgesehen sind. (siehe auch: "Funktionsprinzip" von Batterien und Akkus sowie den Abschnitt "Batterieformen (Gehäusetypen)")

       Bereits 1859 entwickelte der französische Chemie Experte Planté den ersten aufladbaren Bleiakku, der allerdings noch nicht stabil war. 1868 gelang es schliesslich, die elektrische Energie "lagerbar" zu machen und somit einen Energiespeicher zu erhalten, wie man ihn heute als Autobatterie kennt. Junger entwickelt daraus 1899 den ersten Alkaline-Akku, indem er Nickel und Cadium als Elektroden und Kalilauge als Elektrolyten verwendete. Bald darauf (1901) wurden von Edison ein Nickel-Cadmium- und einen Nickel-Eisen-Akku entwickelt. Erst 1961 realisierte Neumann die erste komplett geschlossene, "wartungsfreie" NiCd-Zelle, die gleich darauf von Sanyo in die Massenproduktion ging.

       Zunächst einmal eine Übersicht über die chemische Zusammensetzung und die wichtigsten Merkmale sowie Verwendungszweck gängiger Akku-Typen:

Blei: Der Bleiakkumulator (bekannt u.a. als Autobatterie) sei hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt, da er für den Heimelektronikbereich weniger relevant ist.

NiCd: Die NiCd-Technologie ist nach dem Blei-Akku die älteste, im grossen Stil angewandte Akku-Technologie. NiCd-Akkus sind schwer, haben eine relativ geringe Batterie-Kapazität, weisen eine hohe Selbstentladung auf, sind anfällig für den Memory-Effekt, der sie schnell "schlapp" macht. Aber allein die Tatsache, dass sie neben Nickelhydroxid das sehr giftige Cadmiumhydroxid enthalten, wäre ein guter Grund, diesen Akkutyp nicht zu verwenden. Allerdings hat er, dem NiMH- und dem Li-Ion-Akku gegenüber durchaus Vorteile:

NiMH: Im Gegensatz zum NiCd-Akku ist der