Akkuwerkzeuge

Alles über Akkuwerkzeuge

Akkuwerkzeuge sind nicht mehr aufzuhalten. In immer mehr Elektrowerkzeugen und Gartengeräten dient ein Akku als Energiespeicher. Wir geben einen Überblick über die Technik, heutige und künftige Anwendungen.

 
Ulrich Wolf mit Akkubohrschrauber © Selbermachen
Ulrich Wolf mit Akkubohrschrauber

Die ersten Akkuwerkzeuge kamen in den 70er Jahres des letzten Jahrhunderts auf den Markt und waren damals für Heimwerker eigentlich unbezahlbar. In etwas mehr als 30 Jahren hat die Akkutechnik der Werkzeugwelt stark verändert. Bald werden wohl mehr als die Hälfte der Elektrowerkzeuge mit einem Akku statt einem Netzkabel ausgestattet sein.

© PRÜbliche Akkutypen, die in Elektrowerkzeugen und Gartengeräten zum Einsatz kommen, sind Bleiakkus wie die Autobatterien, Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd), Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) und neuerding auch Lithium- Ionen-Akkus (Li-Ion). Die einzelnen Akkuzellen bestehen im Prinzip aus zwei Elektroden, die sich in einer Elektrolytlösung befinden. Je nach Akkutyp sind Elektroden und Elektrolyt aus unterschiedlichem Material. Bei den heute meist verwendeten Rundzellen werden die Elektroden in Form von dünnen Folien zusammen mit einer Trennfolie aufgewickelt. Je dünner die Folien sind, desto mehr Fläche und damit Akkukapazität lässt sich mit der Zelle erzielen.

Spannung und Kapazität

© SelbermachenDie aktuelle Spannung einer Akkuzelle ist von den verwendeten Materialien abhängig. Auch Ladezustand, Belastung und Temperatur haben Einfluss auf die tatsächliche Spannung. Die mittlere Zellspannung wird in der Regel als Nennspannung angegeben. Höhere Spannungen lassen sich durch Reihenschaltung mehrerer Akkuzellen in einem Akkupack erzielen. Die in den meisten Elektrowerkzeugen und Gartengeräten verwendeten Nickel- und Lithium-Ionen-Akkupacks bestehen aus einzelnen Rundzellen, die in ein spezielles Gehäuse gepackt wurden. Die Speicherfähigkeit der Akkuzellen ist abhängig von den verwendeten Materialien. Im Laufe der Jahre hat sich die Energiedichte bei gleicher Zellgröße vervielfacht. Die speicherbare Strommenge (Kapazität) ist somit gewaltig angestiegen. Die Akkukapazität hängt von der Baugröße der Zelle und ihrer Energiedichte ab. Sie wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Ein Akku mit einer Kapazität von 1 Ah kann so viel elektrische Energie speichern, dass er eine Stunde lang Strom mit einer Stärke von 1 A abgeben kann. © PRFür Elektrowerkzeuge ist nicht nur eine hohe Kapazität, sondern auch die Fähigkeit, hohe Ströme zu liefern, wichtig. Die Hochstromfestigkeit soll ein kraftvolles Arbeiten ermöglichen.

Da in Akkuzellen chemische Prozesse ablaufen, auch wenn sie nicht benutzt werden, entladen sie sich im Laufe der Zeit von allein. Diesen Prozess nennt man Selbstentladung. Er ist bei Nickelakkus relativ hoch, etwa 20 bis 30 Prozent pro Monat. Das heißt, nach zirka drei bis vier Monaten ist der Akku leer. Die Selbstentladung verläuft bei Kälte langsamer. Akkus und Trockenbatterien halten deshalb im Kühlschrank länger. Die Lebensdauer von Akkus wird mit der Zahl der möglichen Ladezyklen ausgedrückt. Je nach Material kann sie zwischen einigen hundert und einigen tausend Ladezyklen betragen. In der Praxis hängt die Zahl der möglichen Ladezyklen stark von den Einsatzbedingungen und der Ladetechnik ab. Auch unbenutzte Akkus altern und verlieren mit der Zeit die nutzbare Kapazität.

Besondere Effekte

© SelbermachenDer Memory-Effekt tritt vor allem bei NiCd-Akkus und in geringem Maße auch bei NiMH-Akkus auf. Bei häufiger Teilentladung bilden sich an der negativen Elektrode kristalline Strukturen, die eine weitere Entladung erschweren. Der Akku erinnert sich quasi an die Entladezyklen der Vergangenheit. Da sich dieser Effekt in der Regel durch mehrfaches vollständiges Laden und Entladen wieder beseitigen lässt, spielt er anders als bei elektronischen Geräten bei Elektrowerkzeugen keine besondere Rolle. Ein anderes Problem ist der Lazy-Battery- Effekt („träge Batterie“). Er ist die Folge elektrochemischer Reaktionen an der positiven Elektrode bei NiCd- und NiMH-Akkus nach längerer Lagerung.

Der Lazy-Battery-Effekt kann durch „Trainieren“, mehrfaches Laden und Entladen, wieder beseitigt werden. Dieser Effekt ist vor allem bei neuen Akkus zu beobachten, die erst nach einigen Ladezyklen ihre volle Kapazität haben. Die Ladezeit ist zwar eher eine Eigenschaft des Ladegerätes, sie wird aber auch durch den Akkutyp bestimmt. Hochstromfeste Akkus sind in der Regel auch schnellladefähig, das heißt, sie können, ein entsprechendes Ladegerät vorausgesetzt, in zirka 60 Minuten oder weniger wieder vollständig aufgeladen werden.

Mit Säure gefüllte Blei-Akkumulatoren sind für den Einsatz mit mobilen Geräten ungeeignet, da sie schwer und wegen des flüssigen Elektrolyts lageabhängig sind. Bei Rasenmähern kommen heute noch Blei-Gel-Akkus zum Einsatz. Bei ihnen ist der Elektrolyt durch den Zusatz von Kieselsäure zu einem Gel erstarrt und die Zellen sind versiegelt. Die Nennspannung der einzelnen Akkuzellen beträgt bei Blei-Gel- Akkus 2,0 Volt.

Cadmiumverbot kommt

© PRNickel-Cadmium-Akkus waren bisher die Standardakkus bei vielen Elektrowerkzeugen und werden auch heute noch bei preiswerteren Geräten verwendet. Sie gelten als kostengünstig, robust und hochstromfähig, was eine sehr wichtige Voraussetzung für besonders leistungsfähige Akkumaschinen ist. Allerdings ist das Ende der NiCd-Akkus absehbar. Laut EU-Richtlinie 2006/66/EG ist Cadmium in Akkus mittlerweile verboten. Bisher gibt es aber noch ein paar Ausnahmen, so auch für Elektrowerkzeuge. Die EU-Kommission soll diese Ausnahmeregelung bis September 2010 überprüfen und neue Vorschläge machen.

Spätestens 2012 bis 2014 ist damit zu rechnen, dass keine neuen NiCd-Akkus mehr verkauft werden dürfen. Die meisten Hersteller haben längst darauf reagiert und bieten neue Elektrowerkzeuge fast nur noch mit Lithium-Ionen- Akkus an. Die einzelne Zelle des NiCd-Akkus liefert eine Nennspannung von 1,2 V. Durch Reihenschaltung mehrerer Zellen in einem Akkupack wird die Spannung erhöht. Am Markt sind Werkzeuge mit Akkupacks von 2,4 V bis 36 V zu finden. Die Akkukapazität von NiCd-Akkus reicht heute bis 2,4 Ah bei den Sub-CZellen und bis zu 1,5 Ah bei den 4/5- Sub-C-Zellen. © PREin weiterer Akkutyp ist der Nickel-Metallhydrid- Akku (NiMH). Die Eigenschaften von NiMH-Akkus sind ähnlich wie die der NiCd-Akkus. Ihr Vorteil ist, dass sie kein giftiges Cadmium enthalten und eine bis zu 50 Prozent höhere Energiedichte haben. NiMH-Akkus können deshalb bei gleicher Zellgröße mehr Energie speichern als NiCd-Akkus oder können bei gleicher Kapazität kleiner und leichter sein. Die Kapazitäten bei NiMH-Akkus für Elektrowerkzeuge reichen bis 3,0 Ah. Nachteile von NiMH-Akkus sind ihre Kälteempfindlichkeit und eine etwas höhere Selbstentladung. Noch relativ neu in Elektrowerkzeugen sind Lithium-Ionen-Akkus.

Akkutechnik der Zukunft

© PRDiese Technik wird die Akkutechnik der nächsten Jahre schlechthin sein. Lithium- Ionen-Akkus zeichnen sich vor allem durch extrem geringe Selbstentladung aus. Sie liegt bei etwa 2 bis 8 Prozent pro Monat. Ein vollständig geladener Lithium-Akku kann also auch nach einem Jahr noch mehr als die Hälfte der einmal gespeicherten Energie haben. Weitere Vorteile sind die höhere Energiedichte, das heißt mehr Kapazität bei gleicher Zellengröße wie NiCd- und NiMH-Akkus beziehungsweise deutlich kleinere und leichtere Zellen bei vergleichbarer Kapazität, kein Memory-Effekt und das umweltneutrale Verhalten der verwendeten Materialien.

Lithium- Ionen-Akkuzellen enthalten keine giftigen Schwermetalle. Dennoch sollten die Akkus am Ende Ihres Lebenszyklus fachmännisch recycelt werden. Lithium-Polymer-Zellen, die zur Zeit aber noch nicht für Elektrowerkzeuge eingesetzt werden, haben so flexible Elektroden, dass die Akkuzellen nahezu jede Form annehmen können. Klobige Akkugehäuse würden damit der Vergangenheit angehören. Da Lithium ein sehr reaktionsfreudiges Leichtmetall ist, sind für die sichere Verwendung in Akkuzellen eine Reihe von Schutzmaßnahmen erforderlich.

© PR Die Zellen müssen nicht nur eine hohe Stabilität haben, sondern Lade- und Entladevorgänge sollten elektronisch überwacht werden. Leichtfertige Konstruktionen führten bei Notebooks und Handies zu Bränden und Explosionen von Lithium-Ionen-Akkus. Aus der Werkzeugwelt ist bisher kein solchen Fall bekannt. Bei den zur Zeit in Elektrowerkzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus gibt es Unterschiede beim chemischen Aufbau der Zellen. Damit haben Lithium-Ionen-Akkuzellen auch unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Spannungslage, Hochstromfestigkeit und Lebensdauer. Üblicherweise wird die Spannung von Lithium-Ionen-Akkus mit 3,6 Volt pro Akkuzelle angegeben.

Die meisten Hersteller haben für die neue Akkutechnik neue Geräte und neue Akkuanschlüsse entwickelt, so dass alte Geräte und neue Akkus oder umgekehrt nicht mehr zusammenpassen. Allerdings gibt es auch Ausnahmen, bei denen in bestimmten Spannungsklassen alte NiCd- oder NiMH- und neue Lithium-Ionen-Akkus in die selben Geräte passen. Erst die Entwicklung der Lithium- Ionen-Technik machte es möglich, dass bei geringer Akkugröße und geringem Gewicht genügend Energie gespeichert wird, um leistungsfähige und ausdauernde Geräte für viele Anwendungen zu betreiben. So sind heute Akku- Bohrhämmer, Akku-Handkreissägen und selbst Akku-Rasenmäher fast so leistungsfähig wie netzbetriebene Geräte.

Auf die Ladetechnik achten

Das Laden von Werkzeugakkus dauerte früher 14 Stunden und mehr. Durch die Entwicklung hochstromfester Zellen und elektronisch gesteuerter Ladegeräte hat sich die Ladezeit bei den meisten Akkus auf zirka eine Stunde oder weniger verringert. Bei Billiganbietern sind 3- bis 5-Stunden- Ladegeräte noch üblich. Lithium-Ionen-Akkus werden zunächst mit einem konstanten Strom geladen. Nach Erreichen einer bestimmten Akkuspannung wird dann auf die weitere Ladung mit konstanter Spannung umgeschaltet. Schon nach etwa 50 % Ladezeit sind 80 Prozent der Kapazität aufgeladen.

SELBER MACHEN 10/2009

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