Willkommen zu dieser interaktiven Lern-Webseite, die Ihnen die wichtigsten Konzepte rund um Batterien und Akkumulatoren näherbringt. Von der grundlegenden Funktionsweise bis hin zu wichtigen Kennzahlen wie Kapazität, Wirkungsgrad und Leistungsverlust – hier finden Sie alles, was Sie wissen müssen.
Ein Akkumulator, oft einfach als Batterie bezeichnet, ist ein Gerät, das elektrische Energie in chemischer Form speichert und bei Bedarf wieder als elektrische Energie abgibt. Im Gegensatz zu Primärbatterien (Einwegbatterien) können Akkumulatoren durch Anlegen einer externen Stromquelle wieder aufgeladen werden. Sie bestehen aus einer oder mehreren galvanischen Zellen.
Gängige Typen sind Lithium-Ionen-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) und Blei-Säure-Akkus. Jeder Typ hat spezifische Eigenschaften hinsichtlich Energiedichte, Lebensdauer und Kosten.
Die Kapazität einer Batterie gibt an, wie viel elektrische Ladung sie speichern kann. Sie wird üblicherweise in Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh) angegeben. Eine Kapazität von 1 Ah bedeutet, dass die Batterie theoretisch eine Stunde lang einen Strom von 1 Ampere liefern kann.
Dabei ist:
Die tatsächliche nutzbare Kapazität kann je nach Entladestrom, Temperatur und Alter der Batterie variieren.
Der Amperestundenwirkungsgrad ($\eta_{Ah}$) beschreibt das Verhältnis der entnehmbaren Ladung zur zugeführten Ladung während eines Lade-Entlade-Zyklus. Er ist ein Maß dafür, wie effizient die Batterie Ladung speichert und wieder abgibt.
Dabei ist:
Ein hoher Ah-Wirkungsgrad bedeutet, dass nur wenig Ladung während des Zyklus verloren geht (z.B. durch Nebenreaktionen).
Der Wattstundenwirkungsgrad ($\eta_{Wh}$) ist ein umfassenderes Maß für die Effizienz, da er nicht nur die Ladung, sondern auch die Spannung berücksichtigt. Er beschreibt das Verhältnis der entnehmbaren Energie zur zugeführten Energie.
Dabei ist:
Da die Spannung während des Lade- und Entladevorgangs variieren kann (insbesondere aufgrund des Innenwiderstands), ist der Wh-Wirkungsgrad meist niedriger als der Ah-Wirkungsgrad.
Die Klemmenspannung ($U_K$) ist die Spannung, die an den äußeren Anschlüssen (Klemmen) einer Batterie gemessen wird. Sie ist nicht konstant, sondern hängt vom Ladezustand, der Temperatur und vor allem vom fließenden Strom ab.
Dabei ist:
Unter Last (wenn Strom fließt) sinkt die Klemmenspannung aufgrund des Spannungsabfalls über den Innenwiderstand.
Der Innenwiderstand ($R_i$) ist ein Maß für den Widerstand, den die Batterie dem Stromfluss in ihrem Inneren entgegensetzt. Er ist die Summe aller Widerstände innerhalb der Zelle, einschließlich des Widerstands der Elektrolyte, Elektroden und Separatoren.
Dabei ist:
Ein niedriger Innenwiderstand ist wünschenswert, da er weniger Energieverluste und eine stabilere Klemmenspannung unter Last bedeutet. Der Innenwiderstand steigt mit dem Alter der Batterie und bei niedrigen Temperaturen.
Die elektrische Leistung ($P$) ist die Rate, mit der elektrische Energie umgewandelt oder übertragen wird. Sie wird in Watt (W) angegeben.
Dabei ist:
Weitere Formeln unter Einbeziehung des Widerstands ($R$):
$$P = I^2 \cdot R$$ $$P = \frac{U^2}{R}$$Die maximale Leistung, die eine Batterie abgeben kann, hängt von ihrer Klemmenspannung und dem maximalen Entladestrom ab.
Die elektrische Arbeit oder Energie ($E$) ist die über einen bestimmten Zeitraum verrichtete Leistung. Sie wird in Wattstunden (Wh) oder Joule (J) angegeben.
Dabei ist:
Umrechnung: $1 \text{ Wh} = 3600 \text{ J}$
Der allgemeine Wirkungsgrad ($\eta$) ist das Verhältnis der nutzbaren Energie (oder Leistung) zur zugeführten Energie (oder Leistung). Er gibt an, wie viel der zugeführten Energie tatsächlich in die gewünschte Form umgewandelt wird.
Dabei ist:
Ein Wirkungsgrad von 100% bedeutet, dass keine Energie verloren geht, was in der Praxis nicht erreichbar ist.
Leistungsverluste treten in Batterien und elektrischen Schaltungen hauptsächlich durch den Innenwiderstand auf. Diese Verluste äußern sich in Form von Wärmeentwicklung.
Dabei ist:
Dieser Verlust ist direkt proportional zum Quadrat des Stroms und zum Innenwiderstand. Hohe Ströme und ein hoher Innenwiderstand führen zu erheblichen Energieverlusten und können die Batterie überhitzen.
Testen Sie Ihr Wissen mit diesen interaktiven Übungsaufgaben!