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Konventionelle Speicher: Grundlegende Fakten

1. Blei-Säure (PB-S),  Quelle: Technic Dreams 2012

Die ersten Bleiakkumulatoren für den mobilen Einsatz wurden ca.1860 als Traktionsbatterien verwendet, der Einsatz als Starterbatterie kam erst ca. 30 Jahre später. Bleiakkumulatoren sind mit Abstand das am weitesten verbreitete und am längsten und gründlichsten erforschte und dokumentierte Batteriesystem. Sie dominieren wegen ihrer Wirtschaftlichkeit unangefochten die Bereiche der Starterbatterien bei Kraftfahrzeugen sowie der ortsgebundenen festinstallierten Speicher. Eine Besonderheit des Blei-Akkus ist die Tatsache, dass beide Elektroden aus dem gleichen Material bestehen. Sowohl die Anode als auch die Kathode sind Bleiplatten, als Elektrolyt wird ca. 30 - 36%ige Schwefelsäure (Batteriesäure) verwendet. Bei Entladung entsteht an der Anode aus metallischem Blei Bleisulfat, an der Kathode spielt sich die umgekehrte Reaktion ab.

Weder das Blei noch das Bleisulfat sind in bedeutendem Umfang in Schwefelsäure löslich, weshalb der Elektrolyt praktisch unverändert bleibt, abgesehen von der sogenannten Gasung, die durch regelmäßige Wasserzugabe kompensiert werden muss. Nachteilig ist das hohe Gewicht der Blei-Akkumulatoren bzw. ihre recht niedrige Energiedichte. In den meisten Anwendungen wird dieser Nachteil durch die hohe Wirtschaftlichkeit des Blei-Systems wieder wettgemacht. Wenn jedoch extreme Kältefestigkeit, hohe Energie- oder Leistungsdichte unbedingt vorrangig sind, empfehlen sich meist andere Systeme.

2. Nickel-Cadmium (NA-CD), Quelle: Technic Dreams 2012

Der Nickel-Cadmium-Akkumulator ist das erste System, das sich nach dem bereits früher realisierten Bleiakkumulator in großem Stil durchsetzen konnte. Neu war damals nicht nur die Wahl der Elektrodenmaterialien, sondern vor allem das Prinzip des alkalischen Elektrolyten. Indem dieser Elektrolyttyp lediglich als Ionenleiter dient und an den chemischen Reaktionen in der Zelle selbst nicht teilnimmt, unterliegt er kaum Veränderungen, was sich positiv auf die Alterungsprozesse des Akkumulators auswirkt.

In Nickel-Cadmium-Zellen wird in einem basischen Elektrolyt (meist Kalilauge) an der Anode metallisches Cadmium zu Cadmiumhydroxid oxidiert und gleichzeitig an der Kathode dreiwertiges Nickel-Oxid-Hydrat zu zweiwertigem reduziert. So kann der NiCd-Akku eine hohe Lebensdauer (1000 Ladezyklen, je nach Gebrauch). Obwohl NiCd-Akkus hervorragende Eigenschaften wie hohe Energiedichte, Robustheit, Kältefestigkeit und Lebensdauer sowie einen günstigen Preis und lange Lagerfähigkeit aufweisen, sind ihre Tage aufgrund der Giftigkeit des in ihnen verwendeten Cadmiums angezählt.

3. Nickel-Metallhydrid (Ni-MH), Quelle: Technic Dreams 2012

Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren sind die Weiterentwicklung des NI-CD-Typs. Ihre Leistungsdaten sind deutlich verbessert, lediglich die Kältefestigkeit und die Leistungsdichte, also die maximalen Entladeströme pro Gewichtseinheit, können noch nicht ganz mit dem Vorgänger konkurrieren. Entscheidend für ihren schnellen Markterfolg als Nachfolger des NI-CD-Typs war jedoch die Tatsache, dass sie bei gleicher Klemmenspannung und Konfektionierung frei von Cadmium und damit wesentlich umweltfreundlicher sind.

In Nickel-Metallhydrid-Zellen wird in einem basischen Elektrolyt (meist Kalilauge) an der Anode Wasserstoff zu Wasser oxidiert und gleichzeitig an der Nickel-Kathode dreiwertiges Nickeloxid-Hydrat zu zweiwertigem reduziert. Die Anode besteht aus einer Legierung aus Nickel und Seltenen Erden (Lanthanide, also z.B. Cer, Lanthan, Neodym, Praseodym) und dient lediglich als Wasser-stoffspeicher. Nachteilig ist die recht hohe Selbstentladung und der im Vergleich mit Nickel-Cadmium-Akkumulatoren relativ hohe Herstellungspreis.

4. Natrium-Nickelchlorid (NANCL), Quelle: Wikipedia 2012

Eine Natrium-Nickel-Chlorid-Zelle, auch als ZEBRA-Batterie bezeichnet, ist ein wiederaufladbarer Akkumulator, eine sogenannte Sekundärzelle. Sie zählt zu den Thermalbatterien. Statt eines flüssigen Elektrolyten werden ein fester Elektrolyt und eine Kombination aus flüssigen und festen Elektroden verwendet. Eingesetzt wird der Akkumulator in Elektroautos und im Bereich der Rüstungsindustrie. Die Betriebstemperatur der durch Vakuum-Isolation wärmegedämmten Batterie beträgt typisch 300 °C (270 bis 350 °C). Die Batterie weist keine elektrochemische Selbstentladung auf, der Wirkungsgrad liegt bei rund 80 %. Allerdings muss die Zelle zur Aufrechterhaltung der Funktion auf hoher Betriebstemperatur gehalten werden, wodurch trotz thermischer Isolation eine Heizung notwendig ist.

Die elektrochemischen Reaktionspartner sind Natriumchlorid (Kochsalz), mit einer flüssigen Salzlösung aus Nickelchlorid und Natriumchlorid durchtränktes gesintertes Nickel als positive Elektrode, und durch einen Separator getrennt im Außenbereich flüssiges Natrium als negative Elektrode. Die Trennung im Separator wird durch eine nur für Natriumionen durchlässige semipermeable Keramikwand aufrechterhalten, die die Natriumelektrode von der der mit Natriumchlorid, Nickelchlorid oder Nickel beschichteten Elektrode trennt und zugleich als Festelektrolyt dient.