Batterien und Akkumulatoren

Batterien sind ein derart alltäglicher Gegenstand, um den sich wohl niemand Gedanken macht – bis sie »leer« sind und kein Ersatz zur Hand ist. Auch bei der Bezeichnung ist man häufig etwas schlampig, denn eine »Autobatterie« ist ein Akkumulator, weil das Teil sich nach Verbrauch der geladenen Energie wieder aufladen lässt, was bei Batterien nicht möglich ist. Korrekt heißt die Autobatterie ja Starterbatterie, was als Abgrenzung angesichts der E-Mobilität wichtig geworden ist.

Modellbahner benutzen Batterien nicht so häufig, bei uns kommt der fürs Hobby benötigte Strom tatsächlich »aus der Steckdose«. Doch in neuerer Zeit auch nicht mehr zu 100%. Da kommen Infrarot- und Funk-Fernbedienungen zum Einsatz, die mit Batterien gespeist werden, und die car-system-Fahrzeuge tragen ihre Energie in Akkus bei sich, die regelmäßig aufgeladen werden müssen.

Für die Theorie der Elektrizitätslehre interessant ist die Tatsache, dass sich elektrische Energie chemisch speichern lässt. Beim Aufladen einer Batterie läuft in ihrem Innern ein chemischer Prozess ab, der die Inhaltsstoffe zur einen Hälfte auf ein höheres elektrisches Potential hebt, zur anderen Hälfte in gleichem Maße absenkt.

Batterien

In der Batterie gibt es zwei Elektroden genannte Metallschichten, die umeinander gewickelt werden, um Platz zu sparen. Daraus ergibt sich die typische Rollenform. Flachbatterien werden ebenfalls aufgewickelt, allerdings nicht rund. 

Eine Schicht besteht aus einem Metall, sie wird Anode genannt und ist positiv geladen. Die andere Schicht ist ein Metalloxid, negativ und Kathode geheißen. Bei den häufig verwendeten Alkali-Mangan-Batterien sind das Zink (+) und Manganoxid (–). Lithium-Batterien sind besonders leistungsfähige Batterien mit Lithium als Anode und verschiedenen Oxiden oder Salzen als Kathode. (Nicht zu verwechseln mit den landläufig ebenso bezeichneten Lithium-Akkus!) 

Zwischen beiden Elektroden ist ein Nichtleiter als Isolation aufgewickelt, denn sonst würde sich die Batterie ja intern sofort selbst entladen.

Erst wenn die beiden Pole der Batterie elektrisch leitend miteinander verbunden werden, bewirkt der Stromfluss die Umkehrung des chemischen Prozesses, der beim Laden ablief: Das Oxid der Kathode wird reduziert, das Metall der Anode oxidiert. Ist dieser chemische Prozess abgeschlossen, besitzt die Batterie kein Potential mehr und kann nicht mehr verwendet werden.

Wie viel elektrische Energie in einer Batterie gespeichert ist, wird in Amperestunden [Ah] angegeben. Die vom Verbraucher benötigte Stromstärke multipliziert mit der Zeit, die dieser Strom fließt, ergibt den benötigten Bedarf. So können Sie leicht selbst ausrechnen, wie lange eine Batterie den vorgesehenen Zweck erfüllt.

Und wieder einmal muss eine Aussage relativiert werden: Wenn die Batterie verbraucht ist, beträgt ihre Energie keineswegs nur noch 0 V. Eine gewisse Restspannung ist immer noch vorhanden, denn elektrische Geräte benötigen eine Mindestspannung, um überhaupt zu funktionieren – sie ist von Fall zu Fall unterschiedlich. Denken Sie nur an die Dioden, die 0,6 V Spannungsverlust beim bloßen Durchgang verursachen. Ist als Verpolungsschutz eine Diode in der Zuleitung des Geräts eingebaut, dann kommt von einer Batterie mit einer Restspannung von 0,6 V gar nichts mehr im eigentlichen Gerät an.

Eine typische 1,5V-Batterie verlässt das Herstellerwerk mit einer frischen Ladung von 1,6 V. Dieses Übersoll ist notwendig, weil ja Batterien im Handel noch eine Weile liegen und sich dabei sehr langsam selbst entladen. Durch die zu hohe Ladespannung soll erreicht werden, dass der Kunde beim Kauf doch noch eine Batterie mit der Nennspannung erhält. Die Haltbarkeitsangabe bezieht sich auf den Zeitpunkt, bis zu dem die Batterie durch Selbstentladung kein ausreichendes Potential mehr besitzt.

Bild Reihenschaltung

Spannungs-Addition durch Reihenschaltung

Die gängigsten Batterien haben Nennspannungen von 1,5 V und 9 V, doch auch Zwischenwerte oder höhere Spannungen können erzielt werden. In Reihe geschaltete Batterien addieren ihre Spannungen.

Ein Gerät mit einem Spannungsbedarf von 5 V wird meist mit vier Batterien zu 1,5 V betrieben. In ladefrischem Zustand liefern diese Batterien in Reihe 4 × 1,6 V = 6,4 V, die ggf. im Gerät auf die benötigten 5 V herunter geregelt werden. Unterschreitet die Gesamtladung allerdings die erforderlichen 5 V, wird es eng. Entweder arbeitet das Gerät dann mit geringerer Leistung oder – wenn sehr spannungssensibel – unterhalb eines bestimmten Grenzwertes überhaupt nicht mehr. Einige elektronische Schaltungen zum Beispiel benötigen ein Minimum an 4,5 V. Vier mit jeweils 1,1 V noch durchaus ordentlich geladene Batterien können diesen Bedarf schon nicht mehr erfüllen. Für dieses Gerät sind sie nicht mehr zu gebrauchen, obwohl mit 73 % der Nennspannung durchaus noch passabel.

Akkumulatoren

Das Manko der Batterien, nach Gebrauch leer und endgültig verbraucht zu sein (und als Sondermüll entsorgt zu werden), haben Akkumulatoren, kurz Akkus, nicht. Sie sind von der Funktion und vom Einsatz her den Batterien durchaus vergleichbar, doch lassen sich leere Akkus wieder aufladen. Hier kommen andere Materialien zum Einsatz als in Batterien, doch das Prinzip ist identisch: Auch in Akkus geht es ums Oxidieren und Reduzieren. Die meisten Batterietypen gibt es auch in gleicher Form als Akku, sodass anstelle von Batterien in transportablen Geräten auch Akkus verwendet werden können. Zwei Einschränkungen sind dabei aber zu beachten. Zum einen ist die Nennspannung von Akkus etwas geringer als von Batterien gleicher Bauform. Die Akku-Pendants zu den sehr verbreiteten 1,5 V-Rundbatterien haben zum Beispiel nur eine Nennspannung von 1,25 V. (Denken Sie an das 5-V-Beispiel von oben.) Zum anderen halten sie häufig nicht so lange durch wie eine baugleiche Batterie; allerdings besteht dieses Handicap bei moderneren Akkus mit Lithium-Legierungen nicht mehr. Dennoch amortisieren sich die Kosten für Akku und Ladegerät bei häufigem Einsatz.

Einige Worte zum Ladegerät noch: Ein verbrauchter Akku kann wieder aufgeladen werden, doch darf dafür nicht jedes x-beliebige Netzanschlussgerät mit der passenden Spannung verwendet werden. Der Ladevorgang muss vom Ladegerät überwacht werden. Überladen schadet dem Akku ebenso wie ein falscher Ladestrom. Es gibt Ladegeräte unterschiedlicher Qualität und erstaunlicherweise werden für nicht so stark genutzte Akkus die teureren benötigt. Ständiges Entladen und Wiederaufladen hält Akkus nämlich frisch, während selten benutzte Akkus gegen Tiefentladung geschützt werden müssen. Das schafft nur ein gutes Ladegerät, in dem die Akkus während der Zeit der Nichtbenutzung permanent »erhaltungsgeladen« werden.

Eine Tiefentladung tritt immer dann ein, wenn ein Akku lange Zeit nicht benutzt wird und sich während dieser Zeit durch Selbstentladung so weit leert, dass ein kritischer Tiefpunkt unterschritten wird. Die Tiefentladung kann den Akku so stark beschädigen, dass er sich nicht mehr regenerieren lässt.

Zum Schluss noch die obligatorische Warnung, die in Abhandlungen dieses Themas nie fehlen darf: Auch wenn Batterien problemlos in Standard-Ladegeräte passen, versuchen Sie bitte nie, sie damit aufzuladen! Es funktioniert nicht und kann zu Schäden führen.