Strom aus der Tasche

Der Trend zur strippenlosen Mobilität beim Kommunizieren und Arbeiten beschert den Batterieherstellern einen enormen Marktschub. Trotz einer Lawine an neuen Techniken bei wiederaufladbaren Batterien ¿ Akkumulatoren/Akkus ¿ und immer raffinierterer, elektronisch überwachter Ladeverfahren schätzen Fachleute den Verbrauch an Einwegbatterien ¿ Primärzellen ¿ in Deutschland auf etwa 670 Millionen Stück. Warum vertrauen die Verbraucher den Wiederaufladbaren so wenig? Ist Vertrauen überhaupt gerechtfertigt? Das lässt sich nicht pauschal beantworten. Die folgenden Informationen über Entwicklungstrends erleichtern Ihnen aber zumindest die situationsgerechte Entscheidung.

Dieser Beitrag beschränkt sich auf die Stromversorgung von tragbaren Geräten und Werkzeugen mit wiederaufladbaren Batterien. Diese Akkus gewannen an zunehmender Bedeutung, als die Elektronik immer leistungfähigere, tragbare Geräte schuf. Mobiltelefone und mobile Rechner aller Art bilden heutzutage ¿ neben Spielen und Unterhaltungselektronik, die hier außen vor bleiben ¿ den größten Anteil.

Einerseits gibt es in fast allen Batterietechniken die von den Einweg-Primärbatterien abgeleiteten Rundzellen mit den bekannten ¿Vornamen¿ Micro, Mignon, Baby und Mono. Andererseits erfordern die Platzverhältnisse in vielen Geräten spezielle geometrische Formen und Ausführungen, die selbstverständlich auch aus Standardzellen aufgebaut sind. Der Ruf nach der ¿größeren elektrischen Reichweite¿ sowie die Forderung nach längerer Lebensdauer der Batterien hat bei den Entwicklern zu einem recht erfolgreichen Wettlauf geführt. Dies gilt sowohl für die Batterien als auch für die Ladegeräte, die durch raffinierte Mikroelektronik unterstützt werden.

Nickel-Cadmium

Als Standardakku schlechthin kommt immer noch der Nickel-Cadmium-Akku (NiCd oder kurz NC) zum Einsatz. Er zeichnet sich durch Robustheit aus und erreicht, richtige Behandlung vorausgesetzt, eine beachtliche Lebensdauer. Den Umweltschützern ist er wegen seines brisanten Cadmiumanteils allerdings ein Dorn im Auge.

Für den Benutzer ergeben sich zwei gravierende Nachteile dieser Technik. Beim unangenehmen Memory-Effekt ¿merkt¿ sich der Akku, wenn vor dem nächsten Laden nur ein Teil der Ladung entnommen wurde. Als ¿Gedächtnis¿ bilden sich nämlich chemisch inaktiven Massenester, die an Lademasse verloren gehen. Mit einem ordentlich hohen Ladestrom kann man solche Zellen zwar regenerieren, das ist aber nicht unproblematisch. Vernünftiger bleibt deshalb das gezielte vollständige Entladen auf einen vorgeschriebenen Wert, bevor neu geladen wird. Als zweiter Mangel erweist sich die Selbstentladung. NC-Akkus entladen sich nämlich abhängig von der Temperatur schon in relativ kurzer Zeit selbst und entleeren sich bei 60 Grad Celsius innerhalb von 14 Tagen völlig, beziehungsweise bei 30 Grad Celsius um 40 Prozent. Ohne eine Erhaltungsladung lässt sich die Betriebsbereitschaft also nicht sichern.
Dies alles können Sie mit modernen, elektronisch gesteuerten Ladegeräten ohne weiteres beherrschen, wobei zusätzlich sehr viel kürzere Ladezeiten erreicht werden. Eine Fülle verschiedener Lade-ICs erlauben den Bau sehr komfortabler Ladegeräte. Geregelte Ladeströme in Abhängigkeit von Zellen-Spannung und -Temperatur gehören hier beispielsweise zum Standard. Leider überwiegen in vielen Anwendungen noch zu einfache Lader mit unzureichender Technik.

Nickel-Metallhydrid

Insbesondere die mögliche Umweltbelastung durch Cadmium und das hierdurch erforderliche strenge Batterie-Recycling hat zur Entwicklung der Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) geführt. Diese Materialkombination lässt noch größere Spielräume bei der Speicherkapazität zu und ist immun gegen den ¿Memory-Effekt¿. Trotz dieser weitgehenden Unempfindlichkeit gegen Ladefehler empfiehlt sich auch hier der Einsatz moderner Ladetechnik, um über eine optimale Energieversorgung zu verfügen. Übrigens vertragen sich moderne Ladegeräte mit NC- und NiMH-Akkus gleichermaßen.

Inzwischen überbieten sich die Hersteller mit immer höheren Kapazitäten bei gleichen Abmessungen. Dies gilt sowohl für die NC-Akkus als auch für die NiMH-Ausführungen.
Seitdem die Hersteller der NiMH-Akkus das Entnehmen höherer Ströme beherrschen, beginnen sie auch in den Markt der akkubetriebenen Elektrowerkzeuge ¿ Powertools ¿ einzudringen. Dieser Markt wächst jährlich um zehn Prozent bei einem für 1999 geschätzten Bedarf von 250 Millionen Standardzellen (Sub-C-Zellen), aus denen die Batterien aufgebaut sind. Den Anteil von etwa zehn Prozent wollen die NiMH-Hersteller bis 2002 auf rund ein Drittel steigern. Neben der Umweltfreundlichkeit durch den fehlenden Schadstoff Cadmium bieten diese Akkus höhere Kapazitäten ¿ 2,2 bis 3,0 Amperestunden (Ah) pro Zelle gegenüber 1,3 bis 2,0 Ah bei NC ¿ und, für tragbare Werkzeuge besonders wichtig, geringeres Gewicht.

Lithium-Ionen

Einen großen Schritt in jeder Hinsicht erreichten die Entwickler mit wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ionen). Während NC- und NiMH-Akkus sich im gleichen Spannungsbereich von 1,2 bis 1,0 Volt bewegen, sich also bei gleicher Bauform und -größe austauschen lassen, passen Li-Ionen-Akkus mit 3,6 bis 2,5 Volt nicht mehr ohne weiteres in diese Linie. Der zusätzliche Aufwand für das Anpassen der Spannung lohnt sich aber offensichtlich, weil der Energieinhalt mit 230 Watt-Stunden pro Liter (Wh/l) deutlich über NC mit 100 und NiMH mit 160 liegen. Das bedeutet kleinere und leichtere Akkus oder eben längere ¿Reichweite¿. Den großen Unterschied zwischen geladenem und entladenem Akku (4,5 bis 2,5 Volt) müssen eingebaute Regler stabilisieren.

Auf dieser Basis entwickelten das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in Itzehoe zusammen mit der Christian-Albrecht-Universität in Kiel einen Akku, bei dem ein Festkörperelektrolyt die bisher meist aggressive Elektrolytflüssigkeit ersetzt. Die Festkörperelektrololyte lassen sich zudem im Druckverfahren zu Folien verarbeiten und in jede beliebige Form bringen. Zum ¿Verpacken¿ solcher Systeme genügt eine einfache, leichte Kunststoffhülle. Diese Entwicklung ermöglicht, leistungsfähige Li-Ionen-Akkus zu sehr günstigen Kosten herzustellen.
Inzwischen haben der französische Hersteller Saft unter dem Namen ¿Polythium¿ sowie der weltgrößte Batteriehersteller Panasonic Zellen mit ähnlichen Eigenschaften im Programm, die jedoch meines Wissens nicht auf der ISIT-Entwicklung beruhen. Die erste Batterie von Panasonic in dieser Technik bietet bei Abmessungen von 35 ´ 62 ´ 3,6 Millimetern und 15 Gramm Gewicht eine Kapazität von 500 Milliamperestunden bei 3,7 Volt Spannung.

Alkali-Mangan

Eigentlich ähneln die wiederaufladbaren Alkali-Mangan-Zellen eher den Primärzellen, also den Einwegbatterien, die zuweilen schon in der Vergangenheit als herkömmliche Zink-Kohle-Batterien durch spezielle Verfahren (Impulsladen) wieder regeneriert werden sollten. Es bedurfte jedoch geeigneter Konstruktionen, um Alkali-Mangan-Zellen wieder aufladbar zu machen. Diese Zellen besitzen keinen Memory-Effekt, Tiefentladen und Überladen sollten allerdings vermieden werden. Die Selbstentladungsrate von 0,2 Prozent pro Monat entspricht wie die Zellenspannung von 1,5 Volt herkömmlichen Primärbatterien.

Solche Batterien gibt es mit Nennkapazitäten von 500 mAh für die Micro (AAA) bis 6000 mAh für die Mono (D). Geladen wird vorzugsweise im Impulsladeverfahren, weil dies die Bildung von Kurzschlussbrücken (Dendriten) hemmt. Alkali-Mangan-Zellen eignen sich weniger für die Entnahme hoher Ströme. Sie vertragen bei typgerechter Behandlung etwa 250 Lade-/Entladezyklen und bieten gegenüber Einwegbatterien einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil. Vom vermiedenen Batterie-Müll ganz zu schweigen.

Goldkondensatoren

Die ersten Stromspeicher waren relativ einfache Kondensatoren, deren Ladung allerdings nicht für den Betrieb von Geräten reichte. Auch danach dienten und dienen Kondensatoren hauptsächlich als elektronische Bauteile in elektronischen Schaltungen, wo sie ¿ wenn auch nur mit geringer Leistung ¿ ebenfalls Speicherfunktionen übernehmen.

Noch in meiner Ausbildung gehörten Kondensatoren mit 500 Mikrofarad (500 Millionstel Farad) bereits zu den großen Klötzen. Die liefern bei 2,3 Volt gerade mal 1,15 Milliampere für eine Sekunde. Damit elektrische Energie zum Arbeiten zu speichern, schien über lange Zeit wegen der unvorstellbar großen Kondensatoren völlig unrealistisch. Heutzutage gibt es Goldkondensatoren. Sie bestehen aus einseitig mit Aluminium beschichteten Aktivkohle-Elektroden und arbeiten gegenüber ¿normalen¿ Kondensatoren nicht mit einem diskreten dielektrischen System, sondern benutzen einen physikalischen Mechanismus auf der Basis einer elektrischen Doppelschicht, beschreibt Panasonic die Funktion dieser Leistungsriesen.
Die Kapazitäten konnten im Laufe der Jahre immer weiter gesteigert werden. Nach bisher sagenhaften 22 Farad stehen inzwischen 50 Farad bei einer Spannung von 2,3 Volt zur Verfügung. Die liefern die oben genannten 1,15 Milliampere rein rechnerisch immerhin schon knapp 28 Minuten lang. Diese Riesenkapazität passt in ein Gehäuse von 18 Millimetern Durchmesser mit 40 Millimetern Höhe.
Unter optimalen Bedingungen versprechen die Hersteller eine Lebensdauer von sieben bis zwölf Jahren und über 100 000 Lade- und Entladezyklen. Dabei vertragen diese Speicher Temperaturen von minus 25 bis plus 60 Grad Celsius. Der Ladevorgang setzt sofort ein, wenn eine Spannung von maximal 2,3 Volt angelegt wird. Solarbetriebene Geräte, Spielwaren und Backup-Medien sehen die Anbieter als Haupteinsatzgebiet für diese zuverlässigen Energiespeicher. Ich bin überzeugt, Sie finden noch weitere Anwendungen heraus.

Brennstoffzellen

Der Vollständigkeit halber, auch wenn sie Ihnen vermutlich ein bisschen exotisch vorkommt, möchte ich noch die Mini-Brennstoffzelle vorstellen, mit der die Spezialisten des Fraunhofer-Instituts für solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg auf der letztjährigen Hannovermesse einen Notebook-Computer versorgten. Eigentlich handelt es sich hier ja um keinen echten Speicher, weil diese Zellen das Prinzip der Elektrolyse umkehren und aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugen.

Die bisherigen großen Klötze für Autos oder die Energieversorgung von Gebäuden schrumpften die Freiburger dank einer Streifenmembranzelle, die sich Platz sparend, flach nebeneinander anordnen lässt, zu handlichen Abmessungen. Der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher für den zehnstündigen Betrieb eines Notebooks wiegt aber immerhin noch ein Kilogramm. Mal sehn, was daraus wird.

Und jetzt . . .

Ich hoffe, die vielen Möglichkeiten und technischen Details haben Sie nicht verwirrt. Eines sollten Sie in jedem Fall beherzigen: Nur das richtige Behandeln jeder Speicherspezies, das Einhalten der vorgegebenen Parameter und der Einsatz der jeweils besten Ladetechnik führen letztendlich zu akzeptablen Ergebnissen. Leider finden sich auch in vielen professionellen Geräten unzureichende Lade-Schaltungen, die dann nur Ärger bereiten.

Bernhard Siegmund / November 1999

Links: http.//www.panasonic.de, http://www.isit.fhg.de