Werden wiederaufladbare Batterien die nicht aufladbaren ersetzen?

Werden wiederaufladbare Batterien die nicht aufladbaren ersetzen?

Vom Konsumgutmarkt abgesehen, ist das Militär der grösste Anwender von nicht aufladbaren (primären) Batterien, speziell in Notfallsituationen oder bei der Bekämpfung von Waldbränden. Hohe Energiedichte, lange Lagerungsmöglichkeiten und Einsatzbereitschaft gehören zu den wichtigsten Eigenschaften. Weder Aufladung noch Formatierung sind notwendig vor einem Einsatz. Die Logistik ist einfach und die Batterieleistung ist vorhanden auch an entfernten, unbemannten Standorten, auch wenn keine Netzversorgung besteht. Die Entsorgung ist einfach, da die meisten nicht aufladbaren Zellen nur wenig giftiges Material enthalten.

Nicht aufladbare Batterien verfügen über die höchste Energiedichte. Auch wenn die Leistungen von aufladbaren (sekundären) Batterien zunehmen, haben die gewöhnlichen Haushalt- (Alkaline-)Batterien 50% mehr Leistung als Lithium-Ion-Batterien. Eine nicht aufladbare Lithium Batterie, die in Fotoapparaten verwendet wird, hat fast die doppelte Energie als eine Lithium-Ion-Batterie derselben Grösse. Figur 1 zeigt die gravimetrische Energiedichte von Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ion, Alkaline und Lithium Batterien.

Figur 1: Energie-Vergleiche von aufladbaren und nicht aufladbaren Batterien.

Der Nachteil von nicht aufladbaren Batterien ist der verhältnismässig hohe Innenwiederstand, der den Stromfluss hemmt. Der hohe Innenwiederstand hat jedoch keinen Einfluss, wenn Geräte mit kleinem Stromverbrauch gespeist werden, wie z.B. TV-Fernsteuerungen oder Küchenwecker. Das Problem wird grösser, wenn Digitalkameras oder andere Geräte mit hohem Stromkonsum gespeist werden sollen. Das Betreiben einer Bohrmaschine mit Alkaline-Zellen ist undenkbar. Die Spannung würde zusammen-brechen.

Der Vergleich der Energiedichten ist in einer unfairen Art gemacht worden. Während die meisten aufladbaren Batterien mit 1C entladen wurden, wurde die Alkaline-Batterie mit nur 25mA bis auf 0,8V entladen. Wir nehmen nun dieselbe Batterie, und verwenden sie unter Belastung. Der gelbe Balken in Figur 2 zeigt die verwendbare Energie, wenn die Batterie z.B. in einer Digitalkamera verwendet wird.

Figur 2: Energie-Vergleiche unter Belastung
Die Alkaline-Batterie arbeitet gut in einem Küchenwecker, aber versagt in einer Digitalkamera.

Die am besten sichtbare Einschränkung einer nicht aufladbaren Batterie ist die Anwendungsdauer. Deshalb sind die Kosten für die abgegebene Leistung etwa 30 mal höher als bei einer aufladbaren Batterie. Diese Kosten werden noch höher, wenn die Batterien nach jedem Einsatz ersetzt werden, unbeachtet der Dauer des Einsatzes. Ein General der US Army sagte, dass die Hälfte der entsorgten Batterien noch immer 50% der Energie gehabt hätte. Das Wegwerfen von nur teilweise entladenen Batterien ist unsinnig. Aber das Überwachen von diesen Batterien im militärischen und privaten Sektor ist zeitraubend und heikel. Es ist viel einfacher, vor jedem Einsatz neue Batterien einzusetzen.

Es ist möglich, den Ladezustand von nicht aufladbaren Batterien zu messen. Die einfachste Methode ist, die Klemmenspannung zu messen, aber das Resultat ist unzuverlässig. Eine bessere Methode ist, die abgegebenen Energieeinheiten zu zählen, auch bezeichnet als Coulomb (Ampersekunden). Diese bedingt eine Schaltung und eine Anzeigemöglichkeit auf der Batterie. Auf Grund der hohen Kosten und einer impliziten Unzuverlässigkeit, speziell bei Impulsbelastung, wird diese Methode selten an nicht aufladbaren Batterien angewendet. Eine zuverlässigere Ladezustandsmessung ist möglich mit einem Schnelltestinstrument, das die chemische Zusammensetzung der Batterie untersucht. Dieser Test ist sanft und benötigt nur wenige Sekunden.

Der Schritt zur aufladbaren Batterie

Im Verlauf der letzten zehn Jahre haben Armee- und Hilfsorganisationen graduell den Schritt zu wieder aufladbaren Batterien getan. Eine namhafte Verbesserung in der Batterietechnologie, bessere Lademethoden und leichter zugängliche Leistungsquellen machten es möglich. Der wichtigste Grund dazu war jedoch der Preis.

In der US Army werden wieder aufladbare Batterien vorwiegend für Trainings verwendet. Die Verantwortlichen prüfen nun ihre Einsatzmöglichkeiten für Kampfeinsätze. Wieder aufladbare Batterien haben noch andere Vorteile als nur die Kosten. Zum einen können die Batterien wieder verwendet werden und belasten die Wiederbeschaffungskanäle nicht. Bei Absenz von elektrischem Strom können sie auch mit Sonnenenergie, Windgeneratoren oder Handkurbelgeneratoren aufgeladen werden. Sogar die kinetische Energie wird untersucht, wobei ein elektrischer Generator in der Schuhsohle des Soldaten eingebaut wäre. Aufladbare Batterien können Leistung abgeben, auch wenn keine Lieferung von neuen Batterien möglich ist.

Ein anderer Vorteil der aufladbaren Batterien ist ihr tiefer Innenwiederstand. Dies gestattet einen grossen Strom bei Bedarf, eine Eigenschaft, die für digitale Geräte und Instrumente entscheidend ist, da hohe Stromspitzen benötigt werden. Elektrische Werkzeuge z.B. können mit Alkaline-Batterien nicht betrieben werden.

Aber auch aufladbare Batterien haben ihre Grenzen. Ausser der geringen Energiedichte, haben aufladbare Batterien eine nur beschränkte Lagerfähigkeit und können mit der Alterung die Ladung nicht mehr halten. Ähnlich wie eine Feder unter Spannung, versucht die aufladbare Batterie zu ihrem tiefsten Nenner zurückzukehren.

Die Alterung ist abhängig von Temperatur und Ladezustand. Während eine nicht aufladbare Batterie eine Lagerfähigkeit von zehn Jahren hat, sind Batterien auf Lithiumbasis nur für zwei bis drei Jahre gut, ob sie benutzt werden oder nicht. Kühle Lagerung bei 40% Ladezustand verlängert die Lebenserwartung. Batterien auf Nickelbasis sind für fünf Jahre gut, benötigen aber eine Formatierung nach längerer Lagerung, um die Leistungsfähigkeit zurück zu gewinnen.

Ein anderer Nachteil von aufladbaren Batterien ist die hohe Selbstentladung. Batterien auf Nickelbasis zeigen eine monatliche Selbstentladung von 10 bis 20%. Dies kann verglichen werden mit 5 bis 10% für Batterien auf Lithium- und Bleibasis. Die Selbstentladung nimmt mit höheren Temperaturen zu. Aus diesem Grund sind aufladbare Batterien nicht besonders geeignet für eine Energiespeicherung über längere Zeit; nicht aufladbare Batterien eignen sich besser dafür. Eine aufladbare Batterie kann nie allzu weit vom Ladegerät eingesetzt werden. Sie muss vor jedem Einsatz "gefüttert" werden.

Aufladbare Batterien verfügen über eine nur begrenzte Anzahl Zyklen. Die Anzahl die erreichbaren Zyklen basiert auf der Entladungstiefe, der Umgebungsbedingungen, der Lademethode und der Wartungsprozeduren. Jede Batteriechemie reagiert anders bezogen auf Alterung und Verschleiss.

Aufladbare Batterien benötigen ein gewisses Niveau an Wartung. Nickel-Kadmium-Batterien erbringen nur dann die erwarteten Leistungen in ihrer Flotte, wenn sie regelmässig entladen werden. Eine Tiefentladung kehrt das Kristallwachstum (Memory) um, das bei Nickel-Kadmium-Batterien entsteht, wenn sie wiederholt von einer teilweisen Ladung aus voll aufgeladen wird. Batterien auf Lithium- und Bleibasis haben keinen Memory-Effekt und eine sporadische Endladung wird durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit zu überprüfen. Batteriewartungen werden am bestem mit einem Batterie-Analyser durchgeführt.