Batterien Primärzelle, Akku oder Kondensator?

Besonders in der Konsumelektronik gibt es immer neue Geräte, die ganz eigene Anforderungen an die Energiespeicher stellen. Hier kann es sich lohnen, nicht unbedingt die naheliegende Variante einzusetzen, sondern Alternativen in Betracht zu ziehen. So hat Varta Microbattery Energiespeicher entwickelt, die an die Anforderungen moderner Geräte angepasst sind.

Viele Jahre lang haben Elektronikingenieure die Auswahl von Energiespeichern für kleine Systeme als gegeben angesehen: Wenn kurzzeitig eine kleine Energiemenge benötigt wird, ist ein Kondensator die geeignete Lösung; wenn über eine längere Zeit eine große Energiemenge benötigt wird, ist eine Batterie oder ein Akku erforderlich.

Kondensatoren, so lautet die allgemeine Annahme, können hohe Spitzenströme liefern, Batterien und Akkus hingegen nicht. Der Lithium-Ionen-Typ wird als eine im Vergleich zu Nickel-Metallhydrid (NiMH) überlegene Akkutechnik angesehen, weil er moderner ist und eine höhere Energiedichte bietet.

Tatsächlich verschwimmen durch Fortschritte in der Akkutechnik die Grenzen zwischen den beiden Kategorien Kondensatoren und Akkus, so dass die Eigenschaften von Akkus denen von Kondensatoren immer ähnlicher werden. Gleichzeitig hat die größere Auswahl an Energiespeichertypen zu einer Vervielfachung der Vor- und Nachteile geführt, die Ingenieure bei deren Bewertung abwägen müssen.

Wie verschieden können Batterien und Akkus sein?

Die Vielzahl der am Markt angebotenen Batterien und Akkus und die bisweilen unerwarteten Unterschiede lassen sich am besten anhand der Verwendung in verschiedenen Endprodukten erklären. Zu diesem Zwecke wird beispielhaft der Energiespeicherbedarf von drei Geräten verglichen:

  • ein Funk-Kopfhörer für den Einsatz mit tragbaren MP3-Playern oder Smartphones,
  • ein Tablet-Computer, der eine Notversorgung benötigt, um wichtige Funktionen (z.B. die Echtzeituhr) auch dann aufrechtzuerhalten, wenn der Hauptakku vollständig entladen ist,
  • ein Flash-Laufwerk, in dem eine Stromquelle einen Notbetrieb gewährleistet, wenn die Hauptstromversorgung unerwartet ausfällt.

Relativ gesehen sind dies alles kleine Systeme, denn keines benötigt mehr Kapazität als einige Hundert mAh.

Eine erste Einschätzung zeigt: Der Funk-Kopfhörer und der Tablet-Computer benötigen als sehr miniaturisierte Geräte den kleinstmöglichen Energiespeicher. Hier bietet sich auf den ersten Blick der Einsatz von Lithium-Ionen-Zellen wegen ihrer hohen Energiedichte an. Das Flash-Laufwerk benötigt kurzfristig eine hohe Leistung. Eine niedrige Ladungskapazität in Verbindung mit einer hohen Spitzenleistung ist die ideale Anwendung für einen Kondensator. Aber ist das wirklich so?

Kopfhörer

Bei näherer Betrachtung der spezifischen Anforderungen dieser drei Anwendungen kommen Eigenschaften zu Tage, die den jeweiligen Energiespeicher auf unterschiedliche Weise fordern. Im Funk-Kopfhörer muss der Energiespeicher tatsächlich eine hohe Energiedichte bei kleinsten Abmessungen aufweisen, um eine akzeptable Betriebszeit zu ermöglichen. Und da Ohrhörer intensiv genutzt werden, muss der Energiespeicher seine hohe Kapazität über viele Ladezyklen behalten.

Bei dieser Anwendung setzt die Größe des menschlichen Ohrs die Grenzen für die Größe des Geräts: Der Akku ist notwendigerweise sehr klein und damit ist der wichtigste Parameter für den Entwicklungsingenieur die Energiedichte. Lithium-Ionen-Akkus bieten hier die höchste Dichte, und eine Standard-Knopfzelle wie etwa die Coin Power CP1254 (50 mAh Kapazität, 12,1 mm Durchmesser) hält der geforderten hohen Anzahl von Ladezyklen stand (Bild 1)