Energiespeicher für Smartphones und Notebooks

Aktuelle und zukünftige Akkutechnologien

Prinzipielle Funktionsweise eines Akkumulators

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.