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Mobil sein und bleiben

Batterien: Eine neue Generation der Energiebereitstellung
Mobil sein und bleiben

Obwohl sich das Basisdesign von Batterien und Akkumulatoren nicht wesentlich verändert hat, bieten vor allem die verschiedenen chemischen Zusammensetzungen Optimierungspotentiale, wie neue Generationen von Primärzellen sowie vorgeladene Akkumulatoren zeigen. Dabei unterscheiden sich die Einsatzbereiche aber erheblich.

Die Vielfalt mobiler und digitaler Geräte wird immer größer und die Gehäuse der elektronischen Geräte aber immer kleiner. Um sie mit Energie zu versorgen, werden Batterien und Akkumulatoren ständig weiterentwickelt. Eckpunkte sind hier eine höhere Leistung bei gleichzeitig geringerem Gewicht sowie im Hinblick auf die neue EU-Batterierichtlinie eine schadstoffarme Zusammensetzung. Der Umweltgedanke ist deshalb wichtig, wenn der Markt betrachtet wird. Allein in Deutschland wurden 2007 fast 1,5 Milliarden Batterien und Akkumulatoren mit einem Gewicht von 33[000 t von Nutzern in Umlauf gebracht. Zwar stellen Primärzellen (nicht-wiederaufladbare Batterien) mit 78 % immer noch den größten Anteil dar, doch der Anteil an Sekundärzellen steigt stetig. Dabei dominiert das Alkali-Mangan-System mit 67 %. Bei den Akkumulatoren zählen Lithium-Ionen mit 9 % und Nickel-Metallhydrid mit 7 % zu den häufigsten Systemen.

Die herkömmliche Alkali-Mangan (ZnMnO2)-Batterie zählt zu den wichtigsten elektrochemischen Energiespeichern. Die Weiterentwicklung des Leclanché-Elements ist das häufigste Batterie-System in Deutschland – zwei Drittel aller Batterien gehören diesem System an. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig und die Batterien sind in den verschiedensten Baugrößen erhältlich. Alkali-Mangan-Batterien sind essentiell Zink-Braunstein-Zellen mit alkalischem Elektrolyt.
Besonders für Hochstromanwendungen wie netzunabhängige elektronische Geräte (PDAs, Digitalkameras oder mobile Bediengeräte) sind heute verbesserte ZnMnO2-Batterien erhältlich. Grundsätzlich gibt es zwei Wege, die Leistungsfähigkeit von ZnMnO2-Batterien zu erhöhen und ihre Lebensdauer zu verlängern. Zum einen durch den vermehrten Einsatz von aktiver Masse in einer dickeren Kathode in einem größeren Zellinnen-Volumen. Zum anderen durch verbesserte Elektrolyten mit höherer Leitfähigkeit. Batteriehersteller setzen zum Beispiel eine Hochleistungskathode (HPC) ein. Das ergibt eine längere Lebensdauer und höhere Leistungsabgabe.
Aber auch Akkumulatoren sind leistungsfähiger geworden und lassen sich präziser auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zuschneiden. Somit bieten sie eine Alternative zu Primärzellen und sind auch eine Ressourcen schonende, umweltfreundliche Energiequelle. In Zukunft ersetzen Nickel-Metallhydrid-Akkus(NiMH) zum größten Teil herkömmliche Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd), die durch die neue Batterierichtlinie, die im September 2008 in Kraft trat, verboten werden. Nur noch in Gerätebatterien dürfen 20 ppm Cadmium enthalten sein. Notleuchten, Alarmsysteme und medizinische Geräte sowie schnurlose Werkzeuge sind zunächst von der Regelung ausgenommen.
Bei NiMH-Akkus wird das Cadmium durch eine Metalllegierung ersetzt, die in der Lage ist Wasserstoff zu absorbieren. Gegenüber herkömmlichen NiCd-Akkus bieten sie eine bis zu 40 % längere Betriebszeit sowie eine höhere Energiedichte und Kapazität, erreichen aber nicht dieselbe Strombelastbarkeit und sind einem Low-Battery-Effekt ausgesetzt. NiMH-Akkus verlieren im Laufe eines Monats bis zu 25 % ihrer gespeicherten Energie. Eine Alternative bieten vorgeladene NiMH-Akkumulatoren, die auch in Geräten mit hohem Energiebedarf eine kraftvolle, konstante Leistung abgeben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus müssen diese vor dem ersten Einsatz nicht geladen, sondern können sofort eingesetzt werden. Dies führt zu einer minimalen Selbstentladung, selbst nach einem Jahr ist noch eine Kapazität von 25 % verfügbar.
Die Lithium-Ionen (Li-Ion)-Technologie ist eine der vielversprechendsten Batteriechemien auf dem Markt, mit einer potentiellen jährlichen Wachstumsrate von bis zu 11 %. Batteriehersteller verbessern Li-Ion-Batterien stetig und führen neue chemische Verbindungen etwa alle sechs Monate ein. Die noch sehr aufwändige Herstellung und hohen Kosten sind also nur noch eine Sache der Zeit. Verglichen mit NiCd-Akkus ist die Energiedichte von Li-Ion-Akkus etwa doppelt so hoch, mit Potenzial für noch höhere Energiedichten, was sie besonders geeignet für den Einsatz in mobilen Geräten macht. Durch die hohe Zellenspannung von 3,6 V können Akkus gebaut werden, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen, wie sie beispielsweise in Mobiltelefonen zum Einsatz kommt. Darüber hinaus benötigen Li-Ion-Akkus wenig Wartungsaufwand und da kein Memory-Effekt auftritt, ist kein regelmäßiger Lade-und Entlade-Zyklus nötig, um die Lebenserwartung zu verlängern. Die Selbstentladung beträgt weniger als die Hälfte des einen NiCd-Akkus. Jedoch sind den Möglichkeiten von Li-Ion-Akkus auch Grenzen gesetzt. Um Spannung und Strom innerhalb den Sicherheitslimiten zu halten, benötigen diese beispielsweise eine eingebaute Schutzschaltung. Außerdem sind die Akkus der Alterung ausgesetzt, auch wenn sie nicht im aktiven Gebrauch sind. Durch den moderaten Entladestrom sind sie außerdem nicht geeignet für eine starke Belastung.
Markus Schubert Duracell, Schwalbach am Taunus
Umweltschonend und leistungsfähig
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