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Die technischen Grundlagen des Energiespeichers von Akkus

Der Großteil der kabellosen Elektrogartengeräte läuft heute mit Lithium-Ionen-Akkus. Diese wiederaufladbaren Batterien sind besonders leistungsstark und langlebig. Doch wie funktioniert eigentlich der Ladeprozess und was macht den Umgang mit den Akkus sicher?

Lithium-Ionen-Akkus halten immer mehr Einzug in die Geräte und Werkstätten von Motoristen. Für den richtigen Umgang mit ihnen ist Grundlagenwissen unverzichtbar.
Lithium-Ionen-Akkus halten immer mehr Einzug in die Geräte und Werkstätten von Motoristen. Für den richtigen Umgang mit ihnen ist Grundlagenwissen unverzichtbar.
Foto: pixabay

Batterien sind elektrochemische Energiespeicher, bei denen man zwischen Primär- und Sekundärzellen unterscheidet. Primärzellen wandeln bei der Entladung chemische in elektrische Energie um. Dieser Vorgang lässt sich nicht umkehren. Primärzellen können somit nach der Energieentnahme nicht mehr genutzt werden. Bei Sekundärzellen sieht das anders aus. Sie sind wiederaufladbar und daher mehrfach nutzbar. Beim Laden der Zellen wird elektrische in chemische Energie umgewandelt und beim Entladen wiederum chemische in elektrische Energie. Diesen zweistufigen Prozess nennt man Zyklus.

Elemente eines Lithium-Ionen-Akkus

In Lithium-Ionen-Akkus stecken Sekundärzellen, weshalb sie wieder aufgeladen werden können. Mittlerweile ist dieser Akkutyp, der auf dem chemischen Element Lithium (Li) basiert, sehr weit verbreitet und wird auch im Bereich Gartentechnik von den Herstellern am häufigsten verwendet.

Eine einzelne Akkuzelle besteht aus verschiedenen Schichten und chemischen Elementen:

Leitfähige Schichten: Auf einer Seite der Zelle befindet sich eine Aluminium- und auf der anderen eine Kupferschicht. Diese ermöglichen den Fluss von Energie nach innen und außen.

Kathode (Pluspol): Auf der Aluminiumschicht liegt die erste von zwei Elektroden einer Zelle: die Kathode. Sie stellt die positive Elektrode dar und besteht aus einer Lithium-Metalloxidschicht. Metalloxide mit Cobalt, Mangan oder Nickel sind gängige Verbindungen.

Anode (Minuspol): Auf der Kupferschicht liegt die zweite Elektrode einer Zelle: die Anode. Sie stellt die negative Elektrode dar und besteht aus reinem Kohlenstoff (Graphit).

Elektrolyt: Der Raum zwischen Kathode und Anode ist mit einem sehr reinen, wasserfreien Elektrolyt gefüllt. Der Elektrolyt ist meist organischen Ursprungs. Er besteht aus einem Lithium-Ionen enthaltenden Leitsalz, das in ein nichtwässriges Lösungsmittel gegeben wird.

Separator: Die beiden Elektroden, also die Kathode und die Anode, sind durch einen Separator getrennt, der sich in der Mitte der Zelle befindet, wo der Elektrolyt eingefüllt ist. Dadurch wird verhindert, dass es im Zellinneren zu einem Kurzschluss kommt. Der Separator besteht aus mikroporösem Material, zum Beispiel aus Kunst- oder Vliesstoff. Durch diese Trennschicht können ausschließlich die Lithium-Ionen gelangen.

Funktionsweise: Laden und Entladen

Ist ein Akku vollständig entladen, befinden sich die Lithium-Ionen bei der Kathode. Während des Ladeprozesses mittels dem Ladekabel beziehungsweise Ladegerät wird eine Spannung an den Akku und somit an die Zellen gelegt. Dadurch sind beide Elektroden, also Kathode und Anode, außerhalb der Zelle miteinander verbunden. Jetzt kommen Elektronen in Bewegung. Sie fungieren als elektrischer Ladungsträger und werden durch einen Oxidationsprozess freigesetzt: Die Elektronen fließen außerhalb der Zelle von der Kathode in Richtung Anode.

Um eine ungleiche Aufladung innerhalb der Zelle zu verhindern, machen sich die Lithium-Ionen wiederum selbstständig. Anders als die Elektronen verbleiben sie im Zelleninneren und wandern durch den Separator von der Kathode zur Anode. Hier angekommen, verbinden sie sich wieder mit den Elektronen, die zeitgleich separat zur Anode geflossen sind, und lagern sich in die Graphitstruktur ein. Sind alle Elektronen und Lithium-Ionen bei der Anode angekommen, ist der Akku vollständig geladen.

Solltes es zu einem Brand durch Akkus kommen, müssen bestimmte Grundlagen beachtet werden. Welche Grundlagen das sind und wie Brände vorgebeugt werden können lesen Sie in der Ausgabe 5 von Motorist. Wenn Sie noch kein Heft haben, dann können Sie auch den einzelnen Artikel in unserem RM-Handelsshop erwerben.


Sobald das Akku-Gerät im Einsatz ist, wird die Energie wieder aus der Zelle entnommen und verbraucht. Der Prozess läuft dann umgekehrt ab. Die Elektronen trennen sich von den Lithium-Ionen, verlassen die Anode und fließen zu dem Gerät, das den Strom benötigt. Anschließend begeben sie sich zurück zur Kathode – also dahin, wo sie ursprünglich hergekommen sind. Dort werden die Elektronen wieder aufgenommen. Die Lithium-Ionen wandern wiederum, wie beim Laden, durch den Separator zurück zur Kathode und verbleiben demnach auch bei diesem Prozess im Zelleninneren.

Eine noch detailliertere Beschreibung der Vorgänge beim Lade- sowie Entladeprozess bietet beispielsweise das „Kompendium: Li-Ionen-Batterie – Grundlagen, Bewertungskriterien, Gesetze und Normen“ des VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik.

Optimales Akku-Management

Wird mehr elektrische Energie benötigt als eine einzelne Akkuzelle zur Verfügung stellen kann, so werden mehrere Zellen zu einem Modul („Akkupack“) zusammengefügt. In kleineren Gartengeräten sind etwa sechs bis acht Zellen verbaut. Je nach Produktart und Leistungsfähigeit können es jedoch auch deutlich mehr sein. Zum Vergleich: Elektroautos verfügen über mehrere tausend Zellen.

Neben den Zellen beziehungsweise Modulen besteht ein Akku aus weiteren mechanischen und elektronischen Komponenten. Das Gehäuse ist beispielsweise eine sehr wichtige mechanische Komponente. Eine Isolierschicht und ein Kühlsystem sorgen dafür, dass der Akku möglichst vor negativen Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder Hitze sowie vor Aufprall und anderen Schäden geschützt ist. Die wichtigste elektronische Komponente ist jedoch das Batteriemanagementsystem, kurz BMS. Es erkennt etwa den Ladezustand und kontrolliert die Temperatur sowie die Zellenspannung. Bei ungleichen Ladungszuständen der einzelnen Zellen sorgt eine Balancing-Funktion für eine Angleichung. Dadurch lässt sich eine Tiefentladung und eine Überladung der Zellen verhindern. Diese beiden Zustände können die Akku-Lebensdauer verkürzen und stellen ein Risiko dar. Das Batteriemanagementsystem ist somit eine Sicherheitseinrichtung innerhalb des Akkus, welche die Leistungsfähigkeit kontrolliert und schützt sowie das Auftreten von Defekten verhindert (mehr Informationen zum Thema Akku-Sicherheit im Beitrag „Der Brandschutz steht an erster Stelle“).

Verwendung von Akkus

Spricht man bei Lithium-Ionen-Akkus von Lebensdauer, ist damit der Zeitraum zwischen der Auslieferung und dem Zeitpunkt gemeint, an dem die ursprünglichen Eigenschaften einen definierten Wert durch Alterung unterschreiten, beispielsweise die Speicherfähigkeit auf einen bestimmten Prozentsatz absinkt (englisch: End of Life). Die Lebensdauer gibt also Auskunft darüber, wie lange ein Akku für eine Anwendung mit hinnehmbaren Leistungseinbußen eingesetzt werden kann. Der End-of-Life-Zeitpunkt muss entsprechend nicht bedeuten, dass ein Akku bzw. ein akkubetriebenes Gerät nicht mehr funktioniert. Wann das Ende der zuvor definierten Lebensdauer eines Akkus eintritt, hängt von diversen Faktoren ab.

Neben der Art der Anwendung und dem Umgang mit dem Akku haben auch der Ladezustand, die Umgebungstemperatur, die Anzahl der Ladezyklen, die Entladetiefe sowie der Zeitverlauf einen Einfluss darauf. Denn selbst bei einer Nichtnutzung finden in den Akkuzellen Wechselwirkungen zwischen den Elementen sowie Korrosionsvorgänge statt, welche die Lebensdauer verkürzen. Daher ist es schwierig, einen genauen End-of-Life-Zeitpunkt zu bestimmen.

Die Hersteller von Akkus beziehungsweise akkubetriebenen Geräten geben meist eine Zykluslebensdauer an. Diese kann je nach Produktgruppe und Materialqualität von hundert bis zu mehreren tausend Zyklen reichen. Ein Vollzyklus entspricht einem Lade- und Entladeprozess, bei dem die Entladung bis auf eine Restkapazität von null Prozent mit anschließender Aufladung von 100 Prozent erfolgt. Bei einem Ladevorgang, bei dem der Akku nur teilweise geladen beziehungsweise entladen wird, spricht man von einem Teilzyklus.

Basisthemen rund um Sortimente und die Werkstatt finden Sie immer in unserem Fachmagazin „Motorist“. Das Heft können Sie für 12 Monate abonnieren oder Sie testen es für zwei als Mini-Abo. Erwerben können Sie das Heft über unseren Baufachmedien Shop.

Ein großer Vorteil von Lithium-Ionen-Akkus: Im Vergleich zu anderen Akkutypen kommt es dabei selten zum sogenannten Memory-Effekt. Darunter versteht man einen Kapazitätsverlust durch unvollständiges Laden beziehungsweise Entladen. Der Akku merkt sich den geringeren Energiebedarf und stellt nur noch die bei den Teil-Entladevorgängen benötigte Energiemenge zur Verfügung.

Ausgezeichnete Akku-Forschung

Im Jahr 2019 ging der Chemienobelpreis an John Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino. Die Wissenschaftler wurden damit für ihren Beitrag zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien geehrt. Die leichten, wiederaufladbaren und starken Batterien würden in zahlreichen Produkten wie Mobiltelefonen, Laptops und E-Fahrzeugen eingesetzt. Sie könnten große Mengen an Solar- und Windenergie speichern und machten so eine Welt frei von fossilen Kraftstoffen möglich, so die Begründung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die den Preis verleiht.

08.04.2020