Was begrenzt die Betriebszeit eines Akkus?

Isidor Buchmann
Cadex Electronics Inc.
Isidor.buchmann@cadex.com
www.buchmann.ca

Edited May 2001

Steht die Betriebsdauer eines tragbaren Gerätes direkt mit der Größe des Akkus und seiner Kapazität im Zusammenhang? In den meisten Fällen kann dies mit ‘Ja’ beantwortet werden. Bei digitalen Geräten allerdings verläuft die Betriebsdauer nicht unbedingt linear mit der im Akku gespeicherter Energie.

In diesem Artikel untersuchen wir, warum die vom Hersteller spezifizierte Betriebsdauer oftmals nicht erreicht wird, besonders wenn der Akku einige Zeit lang im Gebrauch war.

Fallende Kapazität

Das Speichervermögen (Kapazität) eines Akkus nimmt allmählich durch Gebrauch, Alterung ¾ und bei einigen Chemietypen ¾ durch Wartungsmangel, ab. Mit einer 100%igen Kapazität im Neuzustand, muss der Akku bei verbleibenden 60% oder 70% ersetzt werden; 80% des Speichervermögens sind als typischer Grenzwert des Garantiebereiches anzusehen.

Die in einem Akku gespeicherte Energie kann in drei imaginäre Abschnitte eingeteilt werden, welche aus verfügbarer Energie, der Leerzone, sowie dem unbrauchbaren Bereich bestehen. Bild 1 illustriert diese drei Sektionen.

In Nickel basierenden Akkus kann der unbrauchbare Bereich aus kristallinen Formationen bestehen, der auch als ‘Memory’ bekannt ist. Der Kapazitätsverlust bei Li-Ion Akkus entsteht durch Zelloxidation und Korrosion, der während des Gebrauchs und durch Alterung entsteht. Der Leistungsabfall in Blei-Säure-Akkus wird gewöhnlich durch die Sulfatierung von Bleisulfat verursacht. Die Sulfatierung ist das Bilden einer dünnen Ablagerung, die sich an den Zellplatinen bildet. Bei geschlossenen Blei-Säure-Typen kommt Wasserverdunstung hinzu.

Das Speichervermögen der auf Nickel basierenden Akkus läßt sich oft durch zyklieren wiederherstellen. Auch bekannt als ‘Exerzieren’ besteht ein Zyklus aus einer oder mehreren Entladungen bis auf ein Volt pro Zelle mit anschließendem Laden.

Es gibt Methoden, die effizienter sind, um die Kapazität der Akkus zu verbessern als das ‘Exerzieren’ allein. Nach einer Entladung bis auf ein Volt pro Zelle (dem Grenzwert der als das endgültige Entladen angenommen wird), wird der Akku langsam bei wesentlich reduziertem Strom weiter bis nahezu Null Volt entleert. Bekannt als das ‘Rekonditionieren’, vermag diese Methode die kristallinen Formationen abzubauen, verbessert die chemische Struktur der Zellen und stellt Nickel basierte Akkus wieder her. Packs, die sonst vernichtet würden, können öfters wieder auf ihr beinahe volles Speichervermögen gebracht werden. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß einige dieser Akkus unter hoher Selbstentladung leiden, da die kristallinen Formationen das Separatorenmaterial bereits beschädigt haben. Dieses Problem tritt häufig bei älteren Akkus zu.

Der Cadex C7000 Akku-Analyser, wie im Bild 2 gezeigt, wendet automatisch den Rekonditionierungszyklus an, wenn die vom Anwender eingestellte Zielkapazität nicht erreicht wird. Wenn nach dem Rekonditionieren die als Zielvorgabe eingestellte Kapazität dennoch nicht erreicht werden kann, ist es zu empfehlen, den Akku zu ersetzen. Der Vorteil dieses Systems liegt in der verlängerten Lebensdauer und der Sicherstellung, daß alle so gewarteten Akkus die minimal erforderlichen Kapazitäten erfüllen.

Li-Ion Akkus können nicht durch Zyklieren regeneriert werden. Der Kapazitätsverlust ist endgültig, da die Metalle, die in den Zellen verwended werden, nur für einen bestimmten Zeitraum wirksam sind.

Die Li-Ion Polymer-Akkus haben unzureichende Informationen betrefflich der zyklischen Lebensspanne. Dieser Akku ist ähnlich wie der Li-Ion konstruiert, hat jedoch den Hauptunterschied, daß die Elektrolyten gallertartig ist. Solidifizierte Elektrolyte machen es möglich, den Aufbau der Zellen zu vereinfachen. Geringere Abmessungen und weniger Gewicht sind andere gewinnende Aspekte dieses vielversprechenden neuen Akkusystems.

Der Blei-Säure-Akku sulfatiert, wenn er im entladenen Zustand gelagert wird oder wenn sich die Zellenspannung reduziert. Eine Restauration ist schwierig, oder unmöglich, besonders wenn sich der Akku über lange Zeit in einem solchen destabilisierenden Zustand befindet. Bei der Lagerung sollte eine Nachladung entweder alle sechs Monate erfolgen oder sobald die offene Zellspannung unter 2.10 Volt absinkt.