Mit Google fortfahren
Akku erklärt: Funktion, Laden und Entladen
Ein Akku ist eine wiederaufladbare elektrochemische Zelle. Beim Entladen wandelt eine freiwillige Redoxreaktion chemische Energie in elektrische Energie um. Beim Laden erzwingt eine äußere Spannung die Reaktion in Gegenrichtung und speichert wieder chemische Energie.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum lässt sich ein Akku wieder aufladen?
In jeder elektrochemischen Zelle laufen zwei gekoppelte Teilreaktionen ab. Bei der Oxidation werden Elektronen abgegeben, bei der Reduktion werden Elektronen aufgenommen. Beim Entladen laufen diese Vorgänge freiwillig und treiben einen äußeren Stromkreis an.
Sekundärzelle
Eine Sekundärzelle ist eine elektrochemische Zelle mit hinreichend umkehrbaren Reaktionen. Sie kann durch eine äußere Spannung wieder geladen werden. Ein Akku besteht aus einer oder mehreren solchen Zellen.
Eine nicht wiederaufladbare Primärzelle wird im Alltag meist Batterie genannt. Ihr Entladevorgang ist für eine erneute Nutzung nicht hinreichend umkehrbar. Wiederaufladbarkeit bedeutet aber nicht Verschleißfreiheit: Nebenreaktionen und Schäden an Elektroden können die Kapazität verringern.
Entladen: chemische Energie wird zu elektrischer Energie. Laden: Zugeführte elektrische Energie wird als chemische Energie gespeichert.
Wie bewegen sich Elektronen und Ionen?
Beim Entladen fließen Elektronen durch den äußeren Stromkreis vom Minuspol zum Pluspol. Dort können sie elektrische Arbeit verrichten, etwa einen Motor antreiben.
Im Inneren übernimmt der Elektrolyt den Ladungstransport durch bewegliche Ionen. Ein Separator trennt die Elektroden, lässt passende Ionen passieren und verhindert direkten Kontakt. Ohne diesen Ladungsausgleich würde sich Ladung an den Elektroden aufbauen und der Stromfluss abbrechen.
Beim Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus verlassen Elektronen die Graphitelektrode und fließen außen zum Metalloxid. Gleichzeitig wandern Lithium-Ionen durch Elektrolyt und Separator zum Metalloxid. Elektronen nehmen also den äußeren Weg, Ionen den inneren.
Beim Laden treibt das Ladegerät beide Bewegungen in die Gegenrichtung. Die angelegte Spannung muss zum Akkusystem passen; ein beliebiges Netzteil ist keine sichere Ersatzlösung.
Was geschieht im Lithium-Ionen-Akku?
Wir betrachten ein vereinfachtes System mit Graphit und Lithiumcobaltoxid. Die Graphitschichten und das Metalloxidgitter können Lithium-Ionen reversibel einlagern. Der wasserfreie Elektrolyt enthält bewegliche Lithium-Ionen.
Dieses Modell beschreibt ein bestimmtes Graphit/Lithiumcobaltoxid-System. Andere Lithium-Ionen-Akkus können andere Elektrodenmaterialien besitzen. Die folgenden Gleichungen gelten deshalb nicht unverändert für jeden Li-Ionen-Akku.
Entladen
An der Graphitelektrode werden Elektronen abgegeben:
$$\mathrm{LiC_6 \rightarrow C_6 + Li^+ + e^-}$$
Am Metalloxid werden Elektronen aufgenommen:
$$\mathrm{Li^+ + CoO_2 + e^- \rightarrow LiCoO_2}$$
Lithium-Ionen wandern dabei zum Metalloxid und sorgen für Ladungsausgleich. Cobalt wird reduziert.
Laden
Die äußere Spannung kehrt beide Teilreaktionen um:
$$\mathrm{LiCoO_2 \rightarrow Li^+ + CoO_2 + e^-}$$
$$\mathrm{C_6 + Li^+ + e^- \rightarrow LiC_6}$$
Lithium-Ionen verlassen das Metalloxid, wandern zum Graphit und lagern sich zwischen dessen Schichten ein.
Warum wechseln Anode und Kathode ihre Pole?
Die Namen Anode und Kathode richten sich nach der Reaktion, nicht dauerhaft nach dem Vorzeichen des Pols:
- Anode: Hier findet die Oxidation statt.
- Kathode: Hier findet die Reduktion statt.
Beim Entladen ist die oxidierte Graphitelektrode Anode und Minuspol. Das Metalloxid ist Kathode und Pluspol. Beim Laden erzwingt die Spannungsquelle die Gegenreaktion: Nun ist das Metalloxid die Anode und der Graphit die Kathode. Die Zuordnung von Anode und Kathode zu Plus- und Minuspol wechselt also.
Anode bedeutet immer Oxidation, Kathode immer Reduktion. Prüfe zuerst die Reaktion und ordne danach den Pol zu.
Wie vergleichst und beurteilst du Akkus?
Akkus unterscheiden sich in Elektrodenmaterial, Elektrolyt, Zellspannung, Masse, Alterung und Sicherheitsanforderungen. Ein einzelner Wert reicht deshalb selten für ein begründetes Urteil.
Eine Bleiakku-Zelle liefert im geladenen Zustand ungefähr $2{,}04\,\mathrm{V}$. Sechs Zellen in Reihenschaltung ergeben rechnerisch
$$6 \cdot 2{,}04\,\mathrm{V} = 12{,}24\,\mathrm{V}.$$
Im Fahrzeug wird das als ungefähr $12\,\mathrm{V}$ bezeichnet. Der Bleiakku eignet sich als Starterbatterie, sein hohes Gewicht begrenzt aber andere Anwendungen.
Für eine kriteriengeleitete Beurteilung kannst du fragen:
- Funktion: Welche Spannung und Leistung werden benötigt?
- Nutzung: Wie wichtig sind Masse, Kapazität und Zahl der Ladezyklen?
- Rohstoffe und Umwelt: Welche problematischen Stoffe kommen vor, und wie wird der Akku entsorgt oder recycelt?
- Sicherheit: Welche Ladegrenzen und Schutzschaltungen sind nötig?
- Lebensdauer: Welche Alterungsprozesse verringern die nutzbare Kapazität?
So ist Cadmium im Nickel-Cadmium-Akku giftig und erschwert die Entsorgung. Lithium-Ionen-Akkus sind leicht und besitzen eine hohe Energiedichte, benötigen aber eine elektronische Ladungskontrolle. Ein Akku ist deshalb nicht allgemein „der beste“; das Urteil hängt vom Einsatzzweck und von mehreren Kriterien ab.
Spannungswerte verschiedener Quellen oder Zelltypen sind nur vergleichbar, wenn System und Bedingungen zusammenpassen. Angaben von ungefähr $3{,}6\,\mathrm{V}$ und $3{,}8\,\mathrm{V}$ für Lithium-Ionen-Akkus dürfen ohne weitere Bedingungen nicht zu einem einzigen exakten Wert zusammengezogen werden.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Akku
- Entladen: freiwillige Redoxreaktion und elektrische Energie
- Laden: erzwungene Gegenreaktion und chemische Speicherung
- Ladungstransport: Elektronen außen, Ionen innen
- Elektroden: Anode oxidiert, Kathode reduziert
- Lithium-Ionen-Modell: reversible Einlagerung in Graphit und Metalloxid
- Beurteilung: Funktion, Nutzung, Rohstoffe, Sicherheit und Lebensdauer