Grundlagen und Anwendungen von Akkumulatoren einfach erklärt

Stell dir vor, du bist mitten in deinem Lieblingsspiel auf dem Smartphone und plötzlich wird der Bildschirm dunkel – der Akku ist leer! Wenn du die Grundlagen und Anwendungen von Akkumulatoren verstehst, weißt du, warum du das Handy jetzt nicht wegwerfen musst, sondern einfach an die Steckdose anschließen kannst.

Aber warum können wir das Smartphone wieder aufladen, während die leeren Batterien aus der Fernbedienung in den Müll müssen? In diesem Artikel lernst du das Geheimnis der wiederaufladbaren Batterien kennen und erfährst, warum Elektroautos ganz bestimmte Energiespeicher brauchen, um nicht zu schwer zu werden.

Vorwissen

• Galvanische Zelle: Eine Anordnung, die aus chemischen Reaktionen elektrischen Strom erzeugt. Beispiel: Eine Zitrone mit einem Kupfer- und einem Zinknagel kann eine kleine Lampe zum Leuchten bringen.
• Redoxreaktion: Eine chemische Reaktion, bei der Elektronen von einem Stoff auf einen anderen übertragen werden. Beispiel: Wenn Eisen rostet, gibt es Elektronen an den Sauerstoff ab.
• Elektrolyse: Die Umkehrung einer galvanischen Zelle. Hier wird elektrischer Strom genutzt, um eine chemische Reaktion zu erzwingen.

Aufgabentyp 1: Das Grundprinzip von Akkumulatoren

Um die Grundlagen und Anwendungen von Akkumulatoren zu meistern, müssen wir zunächst den Unterschied zur normalen Batterie klären. Im Alltag sagen wir oft einfach „Batterie“ zu allem, was Strom liefert. In der Chemie müssen wir aber genau sein:

• Eine Batterie (Primärzelle) ist wie eine Einbahnstraße. Wenn die chemischen Stoffe in ihr verbraucht sind, ist sie leer und kann nicht mehr verwendet werden.
• Ein Akkumulator (kurz: Akku) ist eine wiederaufladbare galvanische Zelle. Er funktioniert wie eine Straße mit Gegenverkehr.

Wie funktioniert dieser Gegenverkehr genau? Alles dreht sich um die Umwandlung von Energie durch Redoxreaktionen (die Übergabe von Elektronen):

1. Das Entladen (Das Gerät wird genutzt):

Wenn du dein Handy benutzt, läuft im Akku freiwillig eine Redoxreaktion ab. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Der Strom fließt und das Handy funktioniert.

2. Das Laden (Das Gerät ist an der Steckdose):

Wenn der Akku leer ist, schließen wir ihn an eine äußere Spannung (die Steckdose) an. Der elektrische Strom zwingt die Elektronen nun, wieder an ihren Ursprungsort zurückzukehren. Die Redoxreaktion läuft rückwärts ab! Dabei wird elektrische Energie wieder in chemische Energie umgewandelt und gespeichert.

Wenn Erwachsene von einer „Autobatterie“ sprechen, meinen sie eigentlich einen Auto-Akkumulator, denn dieser wird während der Fahrt vom Auto immer wieder aufgeladen!

Aufgabentyp 2: Spezifische Energie und Autos

Ein wichtiger Teil der Grundlagen und Anwendungen von Akkumulatoren ist die Auswahl des richtigen Speichers. Stell dir vor, du packst einen Rucksack für eine lange Wanderung. Du möchtest Essen mitnehmen, das dir sehr viel Energie gibt, aber gleichzeitig sehr leicht ist (wie Schokolade). Du würdest keine schweren Wassermelonen einpacken, weil du dann deine ganze Kraft nur für das Tragen des Rucksacks verbrauchst.

Genau dieses Problem haben Ingenieure beim Bau von Autos. Sie nutzen dafür die spezifische Energie. Sie gibt an, wie viel Energie in einem Kilogramm des Akkus steckt. Die Formel lautet:

$\text{Spezifische Energie} = \frac{\text{Energie}}{\text{Masse}}$

Die Einheit dafür ist Wattstunden pro Kilogramm ($\text{Wh/kg}$).

Je nach Fahrzeugart werden unterschiedliche Akkus gewählt:

• Blei-Säure-Akkumulatoren: Sie sind sehr schwer und haben eine niedrige spezifische Energie. Würde man damit ein Elektroauto antreiben wollen, wäre die Batterie so schwer wie ein Elefant! Das Auto würde die meiste Energie nur dafür verbrauchen, die schwere Batterie zu bewegen. Deshalb nutzt man sie nur als kleine Starterbatterie in normalen Autos, um den Motor kurz anzuschalten.
• Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren (NiMH): Sie sind deutlich leichter und speichern mehr Energie pro Kilogramm. Sie wurden lange Zeit in Hybridautos (Autos mit Benzin- und Elektromotor) eingesetzt.
• Lithium-Ionen-Akkumulatoren: Sie sind die absoluten Spitzenreiter! Sie haben die höchste spezifische Energie. Sie sind sehr leicht und speichern extrem viel Strom. Deshalb sind sie heute der Standard für reine Elektroautos und moderne Smartphones.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Aufgabe entscheiden musst, welcher Akku für ein Fahrzeug besser ist, gehe so vor:

1. Finde im Text die gespeicherte Energie (in $\text{Wh}$) und die Masse (in $\text{kg}$) für jeden Akku.
2. Teile die Energie durch die Masse. Nutze die Formel: $\text{Spezifische Energie} = \frac{\text{Energie}}{\text{Masse}}$
3. Der Akku mit dem höheren Wert (mehr $\text{Wh/kg}$) ist besser für Fahrzeuge geeignet, da er bei gleichem Gewicht mehr Energie liefert.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Batterie vs. Akku: Batterien sind nach einmaliger Nutzung leer. Akkumulatoren sind wiederaufladbar.
• Entladen: Chemische Energie wird zu elektrischer Energie.
• Laden: Elektrische Energie erzwingt die Umkehrung der Redoxreaktion und wird als chemische Energie gespeichert.
• Spezifische Energie: Gibt an, wie viel Energie pro Kilogramm in einem Akku steckt ($\text{Wh/kg}$).
• Lithium-Ionen-Akkus haben die höchste spezifische Energie und sind deshalb ideal für Elektroautos.