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Der Akkumulator - Referat
Der Akkumulator
Der Begriff Akkumulator kommt aus dem lateinischen cumulus = Haufen und accumulare = anhäufen, sammeln. 1803 baute Johann Wilhelm Ritter den ersten Akku, was ein Speicher für elektrische Energie ist. Der Akku gehört zu den galvanischen Elementen oder auch galvanischen Zellen bei denen die Anordnung zweier Elektroden oder Elektrolyten die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie bewirken. Dieser Vorgang findet in einer Redoxreaktion statt. An der Anode, dem Pluspol findet eine Oxidation statt, an der Kathode, dem Minuspol die Reduktion.
Nach dem Verbrauch der gespeicherten Energie, kann man einen Akku wieder aufladen. Deshalb wird der Akku auch als Sekundärelement bezeichnet. Eine Batterie, die sich nur einmal entladen kann wird Primärelement genannt.
Einen Akkumulator kann man in eine Reihenschaltung aber auch in eine Parallelschaltung einsetzen. Die mögliche Stromstärke eines Akkus und auch dessen Kapazität hängt meist von der Baugröße ab. Die verwendeten Materialien eines Akkus legen die herrschende Spannung fest
Der Grundsätzliche Aufbau eines Akkus:
Grob ist ein Akku in 2 Elektroden, die Anode und die Kathode, die in eine Elektrolytlösung eingetaucht sind, aufgebaut. Die Unterschiede zwischen Akkus kommen durch die verschiedenen Elektrodenmaterialien und Elektrolyten zustande.
Bei einem Ladenden Akku fließt logischerweise ein elektrischer Strom von einer Stromquelle durch den Akku. Dabei verändern sich beide Elektroden durch die chemische Reaktion bzw. durch die Redoxreaktion. Dazu komm ich aber gleich nochmal genauer. Wenn kein Elektrodenmaterial mehr für diese Reaktion vorhanden ist, kann der Akku nicht weiter laden. Dabei kommt es höchstens nur noch zu unerwünschten Reaktionen wie der Zersetzung der Elektrolyten. Bei einer Überhitzung kann es sogar zur Explosion des Akkus kommen.
Ein Verbraucher, wie auf dem Bild unten eine Lampe, kann an den Akku angeschlossen werden, sobald er vollständig aufgeladen ist. Es könnte eigentlich so viel elektrische Energie entnommen werden, wie aufgenommen wurde allerdings muss man in der Praxis mehr Ladung zuführen als entnommen werden kann. Das hängt von dem Wirkungsgrad ab, wozu ich gleich nochmal komme.
Der Lithium-Ionen Akkumulator
Der erste Lithium-Ionen Akkumulator wurde 1991 von Sony in einer Videokamera auf den Markt gebracht. Heute wird der Akku wegen der Leistungskraft beispielsweise in Handys, Laptops und Kameras eingebaut. Die Energie, die der Akku abgeben kann hängt meistens vom Volumen ab. Die geringe Größe eines Lithium-Ionen Akkus ermöglicht, dass man ihn in kleinen und leichten Geräten verbauen kann.
Der Aufbau eines Lithium-Ionen Akkumulators:
Das Graphit bildet die negative Elektrode, die Kathode. Lithiummetalloxide bilden die positive Elektrode. Das Elektrolyt muss wasserfrei sein. Daher werden hierfür nur organische Lösungsmittel eingesetzt, die Lithium-Ionen enthalten. Zwischen den Elektroden werden beim Laden und Entladen Lithium Ionen ausgetauscht. Das erklär ich an der Skizze mal genauer:
Beim Laden fließen Lithiumatome (die pinken) von der Anode zur Kathode, durch den grau dargestellten Elektrolyten zum Graphit (das schwarze auf der rechten Seite).Der Ladestrom liefert die Elektronen über den äußeren Stromkreis. Ist der Akku dann geladen, wandern die Lithium Ionen während des Entladevorgangs zurück in das Metalloxid und die Elektronen können über den äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode fließen.
Der Vorteil bei diesem Akku ist, dass es keinen sogenannten Memory Effekt gibt. Das bedeutet, dass sich der Akku den Energiebedarf nicht scheinbar merkt und die Spannung abfällt somit kommt es ebenfalls zu keiner Selbstentladung.
Energiedichte & Wirkungsgrad
Die Energiedichte ist bei Hörgeräten, Handys und Fahrzeugen sehr wichtig. Denn je höher die Energiedichte ist, desto mehr Energie kann in einem Akku gespeichert werden. Ein Ladewirkungsgrad gibt an, wie viel Energie von der zugeführten Energie verbraucht wurde. Oft sind diese Akkus wegen der besonders hohen Energiedichte überteuert. In dieser Tabelle hab ich einmal die Akkus mit ihrer Energiedichte und dem Wirkungsgrad verglichen. Dabei kann man gut sehen, dass Akkus mit einer Lithium-Verbindung einen Sehr hohen Ladewirkungsgrad haben. Obwohl der Natrium-Schwefel Akku eine höhe Energiedichte hat, ist der Wirkungsgrad trotzdem nicht so hoch wie beim einem Lithium Akku. Somit ist also zu sehen, dass die Akkus mit einer Lithium Verbindung nur 5-10% der aufgeladenen Energie nicht verwerten können, was ein sehr gutes Ergebnis ist.
In unsrem Alltag gibt es ebenfalls viele Geräte, die durch Akkus angetrieben werden. Hier sind ein paar Beispiele dafür: Kameras, MP3-Player, Herschrittmacher…
Die Lithium-Ionen-Batterie in Herzschrittmachern:
Bis im März 2012 wurden in Herzschrittmachern Lithium-Ionen Batterien wegen ihrer hohen elektrischen Ladung eingesetzt. Nun wurden aber Akkus in diese Herzschrittmacher eingesetzt um den Patienten die lästigen OPs zu ersparen, sobald eine Batterie leer war. Alle 2 Wochen wird dieser Akku durch ein Ladegerät, das man für 2 Stunden in die Brusttasche einer Jacke zum Beispiel packt, durch das ausgesendete Magnetfeld aufgeladen.
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