Geschichte der Batterie 

Die Geschichte der Batterie und des Akkumulators ist eng mit den Forschungen zweier italienischer Wissenschaftler verbunden: Luigi Galvani und Alessandro Volta. Im Jahr 1780 führte der Arzt und Physiker Luigi Galvani Experimente mit Froschschenkeln durch. Dabei bemerkte er, dass die Muskeln der Froschschenkel zuckten, wenn sie mit zwei verschiedenen Metallen in Berührung kamen. Galvani interpretierte dieses Phänomen als "tierische Elektrizität" und vermutete, dass elektrische Energie innerhalb der Tiere selbst erzeugt wird. Alessandro Volta, ein Zeitgenosse Galvanis und Physikprofessor, war von dessen Entdeckungen fasziniert, zog jedoch andere Schlüsse. Volta vermutete, dass die Elektrizität nicht aus den tierischen Geweben stammte, sondern durch den Kontakt der unterschiedlichen Metalle erzeugt wurde. Um seine Theorie zu beweisen, entwickelte er 1800 die erste funktionierende Batterie, die sogenannte "Voltasche Säule". Sie bestand aus abwechselnden Schichten von Zink- und Kupferplatten, getrennt durch in Salzlösung getränkte Pappscheiben. Diese Anordnung erzeugte eine kontinuierliche elektrische Spannung und legte den Grundstein für die moderne Elektrochemie.

Geschichte des Akkus

Während Batterien (Primärzellen) nach einmaligem Gebrauch entsorgt werden müssen, ermöglichen Akkumulatoren eine Wiederaufladung. Der erste wiederaufladbare Akkumulator wurde 1854 vom deutschen Physiker Wilhelm Josef Sinsteden entwickelt. Er verwendete Bleiplatten in Schwefelsäure, ein Prinzip, das später von Gaston Planté weiterentwickelt wurde und als Bleiakkumulator bekannt ist. Diese Technologie findet bis heute Anwendung, beispielsweise in Autobatterien.

Unterschied zwischen Batterie und Akkus

Batterien und Akkus unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Wiederaufladbarkeit und der damit verbundenen chemischen Zusammensetzung. Beide basieren auf dem Prinzip der galvanischen Zelle, bei der chemische Energie in elektrische Energie (Gleichstrom) umgewandelt wird.

Batterien sind nicht wieder aufladbar, nach der Entladung müssen sie entsorgt werden. Die in Batterien ablaufenden Redoxreaktionen sind nicht reversibel. Sie bestehen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode) und einem Elektrolyten. Die Materialien sind so gewählt, dass sie eine einmalige, stabile Reaktion ermöglichen. Beispiele: Zink-Kohle-Batterien, Alkali-Mangan-Batterien.

Akkus sind hingegen bis zu 1000 mal wieder aufladbar, die chemische Reaktion kann durch Anlegen einer externen Spannung umgekehrt werden. Die Redoxreaktionen sind reversibel, was das mehrfache Laden und Entladen ermöglicht. Der Aufbau ist ähnlich wie bei Batterien, jedoch mit Materialien, die eine reversible Reaktion zulassen. Beispiele: Lithium-Ionen-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus.

 

Richtige Pflege von Akkus

Akkus müssen gepflegt werden, damit sie möglichst lange halten. Besonders das richtige Laden spielt eine entscheidende Rolle für die Lebensdauer. Durch die richtige Pflege kann die Lebensdauer von Akkus deutlich verlängert und ihre Leistungsfähigkeit aufrechterhalten werden.

Nicht komplett entladen: Tiefentladungen können Akkus schaden. Es ist besser, den Akku nachzuladen, wenn er etwa 20-30 % Restladung hat.

Nicht dauerhaft voll geladen halten: Eine ständige Ladung von 100 % kann die Kapazität verringern. Optimal ist ein Ladebereich zwischen 20 % und 80 %.

Schonendes Laden: Schnellladen erzeugt mehr Wärme und kann langfristig schädlich sein. Wenn möglich, langsames Laden bevorzugen.

Temperaturen beachten: Extreme Hitze oder Kälte können Akkus schädigen. Idealerweise sollten sie bei Temperaturen zwischen 10 und 30 Grad Celsius betrieben und gelagert werden.

Regelmäßig nutzen: Akkus altern schneller, wenn sie lange ungenutzt bleiben. Regelmäßiges Teilentladen und Nachladen erhält die Funktionsfähigkeit.

Spannung (Volt) und Kapazität (mAh)

Monozellen: Batterien haben in der Regel eine Spannung von 1,5 Volt. Akkus dagegen nur 1,2 Volt. Der Unterschied in der Nennspannung zwischen Batterien (1,5 V) und Akkus (1,2 V) ergibt sich aus den unterschiedlichen Materialien und chemischen Reaktionen. Viele Geräte sind jedoch so konstruiert, dass sie sowohl mit Batterien als auch mit Akkus betrieben werden können, da die Spannungsdifferenz von 0,3 Volt in der Regel toleriert wird.

Batterien oder Akkumulatoren mit höherer Spannung bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Monozellen. Die Spannungen addieren sich. Beispielsweise benötigt die Taschenlampe eine Spannung von 6 Volt. Dazu werden 4 Monozellen mit je 1,5 Volt in Reihe geschaltet (4*1,5 =6). Bei Akkus kann es hier zu Problemen kommen, da die Spannung oft nicht ausreicht. 4 mal 1,2 Volt ergeben nur 4,8 Volt. Man bräuchte eine weitere Monozelle, die aber in den Geräten keinen Platz findet.

Werden dagegen Batterien oder Akkus parallel geschaltet, so erhöht sich zwar ihre Kapazität (mAh), nicht aber ihre Spannung. Die Kapazität wird in Ah (Amperestunden) oder mAh (Milliamperestunden) angegeben. Je höher die Kapazität des Energiespeichers, desto länger kann der elektrische Verbraucher betrieben werden.

Bauart

Batterien und Akkus sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich, die je nach Verwendungszweck variieren. Die gängigsten Bauformen sind zylindrisch, prismatisch und als Knopfzellen. Zylindrische Zellen, wie die AA- (Mignon) oder AAA- (Micro) Batterien, werden häufig in Haushaltsgeräten wie Fernbedienungen oder Taschenlampen verwendet. Prismatische Zellen haben eine rechteckige Form und finden sich oft in Mobiltelefonen und Laptops. Knopfzellen sind kleine, flache, runde Batterien, die in Geräten wie Uhren oder Hörgeräten zum Einsatz kommen. Die Wahl der Bauform hängt von den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Geräts ab, einschließlich Platzangebot, benötigter Kapazität und Spannung. Hersteller passen daher die Form und Größe von Batterien und Akkus entsprechend an, um eine optimale Leistung und Effizienz zu gewährleisten.

Recycling

Batterien und Akkus enthalten wertvolle Rohstoffe wie Zink, Eisen und Lithium, aber auch schädliche Stoffe. Um die Umwelt zu schützen und diese Materialien wiederzuverwenden, ist es wichtig, leere oder defekte Batterien richtig zu entsorgen. In Österreich kannst du gebrauchte Batterien kostenlos in Sammelboxen im Handel oder auf Recyclinghöfen abgeben. Nach der Sammlung werden die Batterien sortiert und recycelt, wobei bis zu 70 % der Materialien zurückgewonnen werden können. Durch dieses Recycling schonen wir Ressourcen und reduzieren Umweltbelastungen.

Akkus als Stromspreicher und Problemlöser

Batterien haben ausgedient, da sie nur einmal nutzbar sind, eine begrenzte Kapazität haben und ihre Entsorgung umweltschädlich sein kann. Sie sind nur einmal nutzbar und schwer zu recyceln. Akkus hingegen finden sich immer häufiger in unserem Alltag und haben sich als Problemlöser etabliert.

Besonders im Bereich der erneuerbaren Energien wäre es wünschenswert, Strom in größeren Mengen speichern zu können, beispielsweise von Photovoltaikanlagen. Die heutigen Pufferbatterien befinden sich jedoch noch in der Entwicklungsphase und weisen einige Herausforderungen auf, wie die begrenzte Speicherkapazität, die hohe Kosten der Herstellung und die begrenzte Anzahl an Ladezyklen.

Ein zentrales Problem ist die begrenzte Speicherkapazität und die Lebensdauer der aktuellen Batteriesysteme. Zudem sind viele der verwendeten Rohstoffe begrenzt oder problematisch in der Gewinnung und Entsorgung, wie zum Beispiel Lithium, dessen Abbau große Mengen Wasser verbraucht und oft mit Umweltproblemen verbunden ist. Auch Kobalt, das überwiegend in der Demokratischen Republik Kongo unter problematischen Bedingungen abgebaut wird, sowie Nickel und Graphit, deren Förderung erhebliche Umweltbelastungen verursacht, zählen zu diesen kritischen Rohstoffen. Seltene Erden wie Neodym und Dysprosium, die für bestimmte Batterie- und Elektromotor-Technologien benötigt werden, sind ebenfalls schwer zugänglich und geopolitisch sensibel.

Dennoch ist klar, dass die aktuellen Akkutechnologien nicht dauerhaft in der heutigen Form weiterbestehen können. Neue Konzepte und innovative Ideen sind dringend erforderlich, um langfristige Lösungen für Energieprobleme und die Vermeidung von Blackouts zu finden. Es gibt vielversprechende Ansätze, um die Speichertechnologien weiterzuentwickeln. Dazu gehören innovative Akku-Technologien wie Feststoffbatterien, Redox-Flow-Batterien und alternative Energiespeicherformen wie Wasserstoff, Schwungradspeicher oder Speicherkraftwerke (Wasserkraftwerke).

Die Forschung auf diesem Gebiet ist intensiv, und es gibt bereits erste vielversprechende Entwicklungen, wie die Weiterentwicklung von Feststoffbatterien, die eine höhere Energiedichte und Sicherheit versprechen. Ohne neue Konzepte zur Energiespeicherung sind nachhaltige Energieversorgung und die Energiewende gefährdet. Nur durch bahnbrechende Entwicklungen in der Speichertechnologie können langfristige Lösungen gefunden werden, um die Energieversorgung sicherzustellen und auf extreme Stromausfälle vorbereitet zu sein.

Einige vielversprechende aktuelle Projekte zeigen bereits innovative Ansätze für die Energiespeicherung:

Der Batteriegroßspeicher in Alfeld, Deutschland, soll eine der größten Batteriespeicheranlagen Europas werden und in der Lage sein, eine Million Menschen für eine Stunde mit Strom zu versorgen.

Das Sorptionsspeicher-Wärmepumpenprojekt SeasON in Frauenfeld, Schweiz, nutzt Natronlauge zur saisonalen Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie.

Die Agri-Photovoltaikanlage in Buchs, Schweiz, kombiniert die Stromerzeugung aus Sonnenlicht mit der Nutzung in landwirtschaftlichen Gewächshäusern, um eine effiziente Doppelnutzung der Solarenergie zu ermöglichen.