Akkusysteme im Vergleich: NiMH, Li-Ion, LFP und neue Technologien

Autor: Torsten Spindler

Von Blei, NiMH und NiCd über Li-Ion, LiPo und LiFePO4 bis zu Natrium-Ionen, Festkörper- und Redox-Flow-Akkus: Diese Übersicht zeigt wichtige Akkusysteme, typische Zellspannungen, Ladegrenzen, Eigenschaften und Einsatzgebiete.

Akkusysteme im Vergleich: NiMH, Li-Ion, LFP und neue Technologien

Von Blei, NiMH und NiCd über Li-Ion, LiPo und LiFePO4 bis zu Natrium-Ionen, Festkörper- und Redox-Flow-Akkus: Diese Übersicht zeigt wichtige Akkusysteme, typische Zellspannungen, Ladegrenzen, Eigenschaften und Einsatzgebiete.

Akkumulatoren unterscheiden sich nicht nur durch ihre Kapazität, Bauform oder Nennspannung. Maßgeblich sind vor allem die verwendeten Elektrodenmaterialien, der Elektrolyt, die Zellkonstruktion und das vorgesehene Einsatzgebiet. Diese Faktoren beeinflussen Energiedichte, Strombelastbarkeit, Lebensdauer, Ladeverfahren, Sicherheit und Temperaturverhalten.

Bezeichnungen wie Li-Ion, LiPo, AGM oder Festkörperakku beschreiben dabei nicht immer dieselbe technische Ebene. AGM und Gel sind beispielsweise Bauarten des Bleiakkus, während NMC oder LFP die Kathodenchemie einer Lithium-Ionen-Zelle kennzeichnen.

Wichtiger Hinweis:
Alle genannten Spannungswerte sind typische Richtwerte pro Einzelzelle. Die zulässige Ladeendspannung, der Ladestrom und das Ladeverfahren müssen immer anhand des konkreten Herstellerdatenblatts bestimmt werden.

1. Blei-Akkusysteme

Bleiakkumulatoren gehören zu den ältesten wiederaufladbaren Batteriesystemen. Trotz ihrer vergleichsweise niedrigen Energiedichte werden sie wegen ihrer Robustheit, hohen Strombelastbarkeit und etablierten Recyclingstruktur weiterhin in Fahrzeugen, USV-Anlagen, Sicherheitstechnik und stationären Energiespeichern eingesetzt.

Blei-Säure-Nassbatterie
Akkusystem: Blei-Säure-Akku mit flüssigem Elektrolyten	Nennspannung: 2,0 Volt pro Zelle
Abkürzung: Pb, FLA, Flooded Lead Acid	Typische Ladeschlussspannung: ca. 2,35 bis 2,45 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: Preiswertes und hochstromfähiges Akkusystem mit vergleichsweise hohem Gewicht. Eingesetzt wird es vor allem als Starterbatterie, Traktionsbatterie, Versorgungsbatterie und stationärer Energiespeicher.
AGM-Bleiakku
Akkusystem: Ventilregulierter Bleiakku mit Glasvlies	Nennspannung: 2,0 Volt pro Zelle
Abkürzung: AGM, VRLA	Typische Ladeschlussspannung: ca. 2,35 bis 2,45 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: Der Elektrolyt ist in einem Glasfaservlies gebunden. AGM-Akkus sind wartungsarm, lageunabhängig und häufig sehr hochstromfähig. Typische Anwendungen sind USV-Anlagen, Motorräder, Start-Stopp-Fahrzeuge, Alarmanlagen und Notstromsysteme.
Gel-Bleiakku
Akkusystem: Bleiakku mit geliertem Elektrolyten	Nennspannung: 2,0 Volt pro Zelle
Abkürzung: Gel, VRLA-Gel	Typische Ladeschlussspannung: meist ca. 2,30 bis 2,40 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: Gel-Akkus bieten eine gute Zyklenfestigkeit und eignen sich für Anwendungen mit regelmäßigem Laden und Entladen. Sie werden unter anderem in Reha-Fahrzeugen, Solaranlagen, Wohnmobilen, Booten und mobilen Versorgungssystemen verwendet.
Reinblei- und TPPL-Akku
Akkusystem: Dünnplatten-Reinblei-Akku	Nennspannung: 2,0 Volt pro Zelle
Abkürzung: TPPL, Thin Plate Pure Lead	Typische Ladeschlussspannung: herstellerabhängig, häufig etwa 2,40 Volt
Eigenschaften und Einsatz: Durch dünne Elektroden aus hochreinem Blei können hohe Ströme bereitgestellt werden. TPPL-Akkus besitzen zudem eine geringe Selbstentladung und werden häufig in leistungsstarken USV-Systemen, Motorsportanwendungen und industrieller Technik eingesetzt.
Blei-Kohlenstoff-Akku
Akkusystem: Modifizierter Bleiakku mit Kohlenstoffanteil	Nennspannung: 2,0 Volt pro Zelle
Abkürzung: Lead-Carbon, PbC	Typische Ladeschlussspannung: ca. 2,35 bis 2,45 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: Der Kohlenstoffanteil verbessert die Ladeannahme und reduziert die Sulfatierung im Teilzyklusbetrieb. Das System eignet sich für Start-Stopp-Fahrzeuge, Solarspeicher und stationäre Anwendungen mit vielen flachen Ladezyklen.

2. Nickelbasierte Akkusysteme

Nickelbasierte Akkus zeichnen sich häufig durch eine robuste Zellchemie und gute Strombelastbarkeit aus. Je nach Elektrodenmaterial unterscheiden sie sich jedoch deutlich bei Spannung, Selbstentladung, Umweltverträglichkeit und Zyklenlebensdauer.

Nickel-Cadmium-Akku
Akkusystem: Nickel-Cadmium	Nennspannung: 1,2 Volt pro Zelle
Abkürzung: NiCd	Ladeende: Keine einfache feste Ladeendspannung; Abschaltung meist über Temperatur, Zeit oder Spannungsabfall
Eigenschaften und Einsatz: NiCd-Akkus sind sehr belastbar, kältefest und auch bei hohen Strömen zuverlässig. Wegen des giftigen Cadmiums ist ihre Verwendung heute stark eingeschränkt. Sie kommen noch in bestimmten Industrie-, Luftfahrt-, Sicherheits- und Notstromanwendungen vor.
Nickel-Metallhydrid-Akku
Akkusystem: Nickel-Metallhydrid	Nennspannung: 1,2 Volt pro Zelle
Abkürzung: NiMH	Typische Spannung während der Ladung: häufig etwa 1,45 bis 1,50 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: NiMH-Akkus bieten eine höhere Energiedichte als NiCd und enthalten kein Cadmium. Sie werden häufig als AA- und AAA-Akkus sowie in Haushaltsgeräten, Spielzeug, Beleuchtung, Medizintechnik und Hybridfahrzeugen eingesetzt.
NiMH-Akku mit geringer Selbstentladung
Akkusystem: Optimierter Nickel-Metallhydrid-Akku	Nennspannung: 1,2 Volt pro Zelle
Abkürzung: LSD-NiMH	Typische Spannung während der Ladung: häufig etwa 1,45 bis 1,50 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: Diese NiMH-Variante verliert während der Lagerung deutlich weniger Energie als ältere Standardzellen. Sie eignet sich besonders für Fernbedienungen, Kameras, Messgeräte, Spielzeug und andere Geräte, die nur gelegentlich verwendet werden.
Nickel-Zink-Akku
Akkusystem: Nickel-Zink	Nennspannung: ca. 1,6 bis 1,65 Volt pro Zelle
Abkürzung: NiZn	Typische Ladeschlussspannung: ca. 1,85 bis 1,90 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: NiZn-Zellen besitzen eine deutlich höhere Spannung als NiMH-Akkus. Dadurch eignen sie sich für Geräte, die mit 1,2-Volt-Akkus nicht zuverlässig arbeiten. Erforderlich ist ein speziell für NiZn ausgelegtes Ladegerät.
Nickel-Eisen-Akku
Akkusystem: Nickel-Eisen	Nennspannung: 1,2 Volt pro Zelle
Abkürzung: NiFe	Typische Ladespannung: ca. 1,55 bis 1,65 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: NiFe-Akkus sind extrem langlebig und mechanisch robust. Nachteile sind die vergleichsweise geringe Effizienz, eine hohe Selbstentladung und eine stärkere Gasentwicklung beim Laden. Sie werden überwiegend in Inselanlagen und speziellen Industrieanwendungen eingesetzt.
Nickel-Wasserstoff-Akku
Akkusystem: Nickel-Wasserstoff	Nennspannung: ca. 1,25 Volt pro Zelle
Abkürzung: NiH2	Ladeverfahren: Druck-, temperatur- und systemabhängig
Eigenschaften und Einsatz: Das System verwendet gasförmigen Wasserstoff und erreicht eine sehr hohe Zyklenlebensdauer. Wegen der aufwendigen Druckbehälterkonstruktion kommt es fast ausschließlich in Satelliten, Raumfahrzeugen und anderen Spezialanwendungen zum Einsatz.
Silber-Zink-Akku
Akkusystem: Silber-Zink	Nennspannung: ca. 1,55 bis 1,65 Volt pro Zelle
Abkürzung: AgZn	Typische Ladeschlussspannung: ca. 1,85 bis 1,95 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: Silber-Zink-Akkus bieten eine hohe Energie- und Leistungsdichte. Die hohen Materialkosten und die begrenzte Zyklenlebensdauer beschränken den Einsatz auf Raumfahrt, Militärtechnik, Medizintechnik und besonders anspruchsvolle Spezialgeräte.

3. Lithium-Ionen-Akkusysteme

Der Begriff Lithium-Ionen-Akku umfasst eine große Familie unterschiedlicher Zellchemien. Die Eigenschaften werden vor allem durch Kathodenmaterial, Anodenmaterial und Elektrolyt bestimmt. Zwei äußerlich identische Lithium-Zellen können deshalb unterschiedliche Spannungsgrenzen und Ladeverfahren besitzen.

Lithium-Cobaltdioxid
Akkusystem: Lithium-Cobaltdioxid	Nennspannung: ca. 3,6 bis 3,7 Volt pro Zelle
Abkürzung: LCO	Typische Ladeschlussspannung: 4,20 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: LCO bietet eine hohe Energiedichte, ist jedoch weniger hochstromfähig und thermisch anspruchsvoller als einige andere Lithiumsysteme. Typische Einsatzbereiche sind Smartphones, Kameras, Notebooks und kompakte Unterhaltungselektronik.
Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt
Akkusystem: Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid	Nennspannung: ca. 3,6 bis 3,7 Volt pro Zelle
Abkürzung: NMC oder NCM	Typische Ladeschlussspannung: meist 4,20 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: NMC verbindet eine gute Energiedichte mit hoher Belastbarkeit und einer praxistauglichen Lebensdauer. Die Zellchemie wird häufig in Werkzeugakkus, E-Bikes, Elektrofahrzeugen, Energiespeichern und mobilen Hochleistungsgeräten verwendet.
Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium
Akkusystem: Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid	Nennspannung: ca. 3,6 Volt pro Zelle
Abkürzung: NCA	Typische Ladeschlussspannung: meist 4,20 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: NCA-Zellen erreichen eine hohe spezifische Energie und eignen sich daher besonders für reichweitenorientierte Fahrzeugakkus. Sie benötigen eine präzise Überwachung von Temperatur, Zellspannung und Ladezustand.
Lithium-Manganoxid
Akkusystem: Lithium-Manganoxid	Nennspannung: ca. 3,7 bis 3,8 Volt pro Zelle
Abkürzung: LMO	Typische Ladeschlussspannung: 4,20 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: LMO-Zellen sind gut belastbar und besitzen eine vergleichsweise stabile Spinellstruktur. Sie wurden unter anderem in Elektrowerkzeugen, Medizintechnik und frühen Elektrofahrzeugen eingesetzt.
Lithium-Eisenphosphat
Akkusystem: Lithium-Eisenphosphat	Nennspannung: ca. 3,2 bis 3,3 Volt pro Zelle
Abkürzung: LFP, LiFePO4	Typische Ladeschlussspannung: 3,60 bis 3,65 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: LFP bietet eine hohe Zyklenfestigkeit, gute Strombelastbarkeit und eine stabile Zellchemie. Das System wird häufig in Wohnmobilen, Solarspeichern, Booten, Industrieanlagen, Elektrofahrzeugen und stationären Energiespeichern eingesetzt.
Lithium-Mangan-Eisenphosphat
Akkusystem: Lithium-Mangan-Eisenphosphat	Nennspannung: ca. 3,4 bis 3,5 Volt pro Zelle
Abkürzung: LMFP	Typische Ladeschlussspannung: häufig etwa 4,1 bis 4,3 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: Durch den Mangananteil kann LMFP eine höhere Zellspannung und Energiedichte als klassisches LFP erreichen. Die Chemie soll die hohe Stabilität phosphatbasierter Zellen mit einer verbesserten Energiespeicherung verbinden.
Lithium-Titanat
Akkusystem: Lithium-Ionen-Akku mit Titanat-Anode	Nennspannung: ca. 2,3 bis 2,4 Volt pro Zelle
Abkürzung: LTO	Typische Ladeschlussspannung: ca. 2,70 bis 2,80 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: LTO-Zellen sind extrem schnellladefähig, langlebig und auch bei niedrigen Temperaturen gut einsetzbar. Die niedrigere Zellspannung führt jedoch zu einer geringeren Energiedichte. Anwendungen finden sich in Bussen, Industrieanlagen, Schnellladesystemen und Netzspeichern.
Lithium-Nickel-Manganoxid-Hochvoltzelle
Akkusystem: Hochvolt-Lithium-Nickel-Manganoxid	Nennspannung: ca. 4,6 bis 4,7 Volt pro Zelle
Abkürzung: LNMO	Typische Ladeschlussspannung: bis etwa 4,9 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: LNMO ermöglicht eine sehr hohe Zellspannung und kann mit wenig oder ohne Cobalt auskommen. Die hohe Spannung stellt besondere Anforderungen an Elektrolyt, Separator, Ladeelektronik und Lebensdauerstabilität.
Lithium-Polymer-Akku
Akkusystem: Lithium-Ionen-Zelle in Polymer- oder Pouch-Bauweise	Nennspannung: meist 3,7 Volt pro Zelle
Abkürzung: LiPo, Li-Poly	Typische Ladeschlussspannung: meist 4,20 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: LiPo ist keine eindeutig festgelegte Kathodenchemie. Die Bezeichnung steht meist für eine flache Pouch-Zelle mit polymer- oder gelartigem Elektrolyten. Verwendet wird sie in Smartphones, Tablets, Drohnen, Modellbau, Wearables und besonders flachen Geräten.
Hochvolt-Lithium-Polymer-Akku
Akkusystem: Hochvolt-Lithium-Polymer	Nennspannung: ca. 3,8 bis 3,85 Volt pro Zelle
Abkürzung: LiHV	Typische Ladeschlussspannung: ca. 4,35 bis 4,45 Volt pro Zelle
Eigenschaften und Einsatz: LiHV-Zellen nutzen eine höhere Ladeendspannung, um mehr Energie im gleichen Bauraum zu speichern. Sie dürfen ausschließlich mit dafür ausgelegter Ladeelektronik betrieben werden.
Lithium-Ionen-Akku mit Silizium-Graphit-Anode
Akkusystem: Lithium-Ionen mit Silizium-Kohlenstoff-Anode	Nennspannung: Abhängig von der Kathodenchemie
Abkürzung: Si-C, Si/Graphit	Ladeschlussspannung: Abhängig von der verwendeten Kathode
Eigenschaften und Einsatz: Silizium kann wesentlich mehr Lithium speichern als reiner Graphit. Die Herausforderung liegt in der starken Volumenänderung beim Laden und Entladen. Siliziumanteile werden zunehmend in Smartphone-, Drohnen- und Fahrzeugzellen eingesetzt.

4. Natrium-Akkusysteme

Natrium ist weltweit gut verfügbar und kann in vielen Zellkonzepten ähnlich wie Lithium als Ladungsträger genutzt werden. Natrium-Ionen-Akkus erreichen derzeit meist nicht die Energiedichte hochwertiger Lithium-Ionen-Zellen, bieten jedoch Potenzial für preisgünstige stationäre Speicher und Fahrzeuge mit moderaten Reichweitenanforderungen.

Natrium-Ionen-Akku
Akkusystem: Natrium-Ionen	Nennspannung: je nach Material ca. 2,5 bis 3,3 Volt
Abkürzung: Na-Ion, SIB	Ladeschlussspannung: Stark abhängig von der eingesetzten Zellchemie
Eigenschaften und Einsatz: Natrium-Ionen-Zellen arbeiten nach einem ähnlichen Grundprinzip wie Lithium-Ionen-Zellen. Sie können mit Schichtoxiden, Polyanionen oder Preußisch-Weiß-Verbindungen aufgebaut sein und sind besonders für stationäre Speicher interessant.
Natrium-Schwefel-Hochtemperaturakku
Akkusystem: Natrium-Schwefel	Nennspannung: ca. 2,08 Volt pro Zelle
Abkürzung: NaS	Betriebstemperatur: häufig etwa 300 bis 350 °C
Eigenschaften und Einsatz: Bei diesem System liegen Natrium und Schwefel während des Betriebs in flüssiger Form vor. Es erreicht eine gute Energiedichte und wird vor allem als stationärer Netzspeicher eingesetzt.
Natrium-Nickelchlorid-Akku
Akkusystem: Natrium-Nickelchlorid	Nennspannung: ca. 2,58 Volt pro Zelle
Abkürzung: Na-NiCl2, ZEBRA	Betriebstemperatur: häufig etwa 250 bis 350 °C
Eigenschaften und Einsatz: Der ZEBRA-Akku ist ein robuster Hochtemperaturakku mit keramischem Festelektrolyten. Er wurde unter anderem in Spezialfahrzeugen, Telekommunikationsanlagen und stationären Energiespeichern eingesetzt.

5. Redox-Flow- und Flüssigelektrolyt-Akkus

Bei einer Redox-Flow-Batterie wird die Energie in flüssigen Elektrolyten gespeichert, die durch eine Reaktionszelle gepumpt werden. Die Leistung wird hauptsächlich durch die Größe des Zellstapels bestimmt, während die speicherbare Energiemenge über das Tankvolumen skaliert werden kann.

Vanadium-Redox-Flow-Batterie
Akkusystem: Vanadium-Redox-Flow	Typische Zellspannung: ca. 1,25 bis 1,40 Volt
Abkürzung: VRFB	Elektrolyt: Vanadiumverbindungen in unterschiedlichen Oxidationsstufen
Eigenschaften und Einsatz: VRFB-Systeme sind langlebig, tiefentladefest und besonders für große stationäre Speicher geeignet. Sie werden zur Zwischenspeicherung von Solar- und Windenergie sowie zur Netzstabilisierung eingesetzt.
Zink-Brom-Flow-Batterie
Akkusystem: Zink-Brom	Typische Zellspannung: ca. 1,8 Volt
Abkürzung: ZnBr2, ZBFB	Speicherprinzip: Zinkabscheidung und Bromreaktion
Eigenschaften und Einsatz: Das System kann eine höhere Energiedichte als viele andere Flow-Batterien erreichen. Technische Herausforderungen sind die kontrollierte Zinkabscheidung, die Handhabung des Broms und der Korrosionsschutz.
Eisen-Chrom-Flow-Batterie
Akkusystem: Eisen-Chrom-Redox-Flow	Typische Zellspannung: ca. 1,18 Volt
Abkürzung: FeCr	Materialbasis: Eisen- und Chromsalze
Eigenschaften und Einsatz: Die aktiven Materialien sind vergleichsweise preiswert und gut verfügbar. Die niedrigere Zellspannung und unerwünschte Nebenreaktionen stellen jedoch besondere Anforderungen an Wirkungsgrad und Systemsteuerung.
Eisen-Flow-Batterie
Akkusystem: All-Iron-Flow	Typische Zellspannung: ca. 1,0 bis 1,2 Volt
Abkürzung: IFB	Materialbasis: Eisen auf beiden Reaktionsseiten
Eigenschaften und Einsatz: All-Iron-Systeme setzen auf gut verfügbare und preiswerte Rohstoffe. Sie werden insbesondere für große, langlebige Energiespeicher entwickelt, bei denen Gewicht und Volumen eine untergeordnete Rolle spielen.
Organische Redox-Flow-Batterie
Akkusystem: Organische Redox-Flow-Batterie	Typische Zellspannung: je nach System etwa 0,8 bis 2,0 Volt
Abkürzung: ORFB	Elektrolyt: Organische Redoxmoleküle
Eigenschaften und Einsatz: Organische Flow-Systeme sollen den Einsatz teurer Metalle reduzieren. Durch die große Auswahl möglicher Moleküle können Spannung, Löslichkeit und Reaktionsverhalten gezielt angepasst werden.

6. Zinkbasierte und wässrige Akkusysteme

Zink ist preiswert, weltweit verfügbar und kann in nicht brennbaren wässrigen Elektrolyten eingesetzt werden. Zinkbasierte Akkus gelten deshalb als interessante Lösung für stationäre Speicher und Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen.

Wässriger Zink-Ionen-Akku
Akkusystem: Zink-Ionen-Akku mit wässrigem Elektrolyten	Nennspannung: je nach Kathode ca. 1,2 bis 1,8 Volt
Abkürzung: Zn-Ion, AZIB	Elektrolyt: Meist nicht brennbare, wasserbasierte Lösung
Eigenschaften und Einsatz: Wässrige Zink-Ionen-Akkus bieten eine hohe grundsätzliche Sicherheit und niedrige Rohstoffkosten. Herausforderungen sind Dendriten, Korrosion, Wasserstoffentwicklung und eine langfristig stabile Zinkabscheidung.
Wiederaufladbarer Zink-Manganoxid-Akku
Akkusystem: Zink-Manganoxid	Nennspannung: ca. 1,2 bis 1,5 Volt
Abkürzung: Zn-MnO2	Elektroden: Zink und Mangandioxid
Eigenschaften und Einsatz: Zink und Mangandioxid sind preiswerte und etablierte Materialien. Für einen langlebigen Akkubetrieb müssen irreversible Nebenreaktionen und Veränderungen der Elektrodenstruktur begrenzt werden.
Wiederaufladbarer Zink-Luft-Akku
Akkusystem: Zink-Luft	Nennspannung: praktisch etwa 1,2 Volt
Abkürzung: Zn-Air	Reaktionspartner: Sauerstoff aus der Umgebungsluft
Eigenschaften und Einsatz: Zink-Luft-Systeme erreichen theoretisch eine hohe Energiedichte, da der Sauerstoff nicht in der Zelle gespeichert werden muss. Wiederaufladbare Ausführungen werden durch die Alterung der Luftkathode und begrenzte Rundlaufeffizienz erschwert.

7. Festkörper-, Lithium-Metall- und Schwefelakkus

Viele Akkus der nächsten Generation basieren weiterhin auf Lithium, verändern jedoch die Anode, die Kathode oder den Elektrolyten. Festkörperakku ist deshalb keine einzelne Zellchemie, sondern eine Sammelbezeichnung für Akkus mit festem oder weitgehend festem Elektrolyten.

Lithium-Festkörperakku
Akkusystem: Lithium-Akku mit festem Elektrolyten	Nennspannung: Abhängig von Kathode und Anode
Abkürzung: SSB, Solid-State Battery	Ladeschlussspannung: Abhängig von der eingesetzten Elektrodenchemie
Eigenschaften und Einsatz: Festelektrolyte können auf Oxiden, Sulfiden, Polymeren oder Verbundmaterialien basieren. Ziele sind eine höhere Sicherheit, eine verbesserte Energiedichte und die Nutzung von Lithium-Metall-Anoden.
Lithium-Metall-Akku
Akkusystem: Lithium-Akku mit metallischer Lithiumanode	Nennspannung: Abhängig von der Kathode
Abkürzung: LMB, Lithium Metal Battery	Ladeschlussspannung: Abhängig von Kathode und Elektrolyt
Eigenschaften und Einsatz: Metallisches Lithium kann mehr Energie speichern als eine herkömmliche Graphitanode. Problematisch sind Dendriten, Nebenreaktionen und eine ungleichmäßige Lithiumabscheidung.
Lithium-Schwefel-Akku
Akkusystem: Lithium-Schwefel	Nennspannung: ca. 2,1 Volt pro Zelle
Abkürzung: Li-S	Typischer Spannungsbereich: häufig etwa 1,7 bis 2,5 Volt
Eigenschaften und Einsatz: Lithium-Schwefel besitzt eine sehr hohe theoretische Energiedichte und verwendet preiswerten Schwefel. Die praktische Lebensdauer wird durch Volumenänderungen, geringe Leitfähigkeit und den Polysulfid-Shuttle begrenzt.
Lithium-Luft-Akku
Akkusystem: Lithium-Sauerstoff	Theoretische Zellspannung: ca. 2,9 Volt
Abkürzung: Li-Air, Li-O2	Reaktionspartner: Sauerstoff
Eigenschaften und Einsatz: Das System besitzt eine außergewöhnlich hohe theoretische Energiedichte. Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxid, Nebenprodukte, Elektrolytzersetzung und die Alterung der Sauerstoffelektrode verursachen jedoch erhebliche Probleme.

8. Weitere neuere und experimentelle Akkusysteme

Kalium-Ionen-Akku
Akkusystem: Kalium-Ionen	Typische Spannung: je nach Material etwa 3,0 bis 4,0 Volt
Abkürzung: K-Ion, PIB	Entwicklungsstand: Forschung und Pilotprojekte
Eigenschaften und Einsatz: Kalium ist gut verfügbar und besitzt ein günstiges elektrochemisches Potenzial. Die vergleichsweise großen Kalium-Ionen belasten die Elektrodenstruktur jedoch stärker als Lithium-Ionen.
Magnesium-Ionen-Akku
Akkusystem: Magnesium-Ionen	Typische Spannung: je nach Material etwa 1,0 bis 3,0 Volt
Abkürzung: Mg-Ion, MIB	Ladungsträger: Zweifach positiv geladene Magnesium-Ionen
Eigenschaften und Einsatz: Magnesium kann theoretisch eine hohe volumetrische Speicherkapazität erreichen. Die Bewegung der zweifach geladenen Ionen in den Elektroden ist jedoch schwieriger als bei Lithium.
Calcium-Ionen-Akku
Akkusystem: Calcium-Ionen	Typische Spannung: materialabhängig etwa 2,0 bis 3,5 Volt
Abkürzung: Ca-Ion, CIB	Entwicklungsstand: Grundlagenforschung
Eigenschaften und Einsatz: Calcium ist häufig verfügbar und besitzt ein interessantes elektrochemisches Potenzial. Schwierigkeiten bestehen vor allem bei der reversiblen Calciumabscheidung und bei geeigneten Elektrolyten.
Aluminium-Ionen-Akku
Akkusystem: Aluminium-Ionen	Typische Spannung: je nach System etwa 1,0 bis 2,5 Volt
Abkürzung: Al-Ion, AIB	Ladungsträger: Aluminium- oder Chloroaluminat-Ionen
Eigenschaften und Einsatz: Aluminium ist preiswert und kann mehrere Ladungen pro Ion übertragen. Korrosive Elektrolyte und eine begrenzte Energiedichte erschweren bislang die Kommerzialisierung.
Dual-Ionen-Akku
Akkusystem: Dual-Ionen-System	Typische Spannung: je nach Aufbau etwa 3 bis 5 Volt
Abkürzung: DIB	Ladungsträger: Kationen und Anionen
Eigenschaften und Einsatz: Bei Dual-Ionen-Akkus werden während des Ladens sowohl positive als auch negative Ionen in die Elektroden eingelagert. Das ermöglicht hohe Zellspannungen, erfordert jedoch einen besonders stabilen Elektrolyten.
Protonenakku
Akkusystem: Protonenbasierter Akku	Typische Spannung: häufig etwa 0,5 bis 1,5 Volt
Abkürzung: Proton Battery	Ladungsträger: Wasserstoff-Ionen beziehungsweise Protonen
Eigenschaften und Einsatz: Protonen können sich sehr schnell durch geeignete Elektrodenmaterialien bewegen. Das ermöglicht potenziell hohe Lade- und Entladeleistungen. Niedrige Zellspannung und Materialstabilität sind derzeit wesentliche Entwicklungsthemen.
Fluorid-Ionen-Akku
Akkusystem: Fluorid-Ionen	Spannung: Stark materialabhängig
Abkürzung: FIB	Ladungsträger: Negativ geladene Fluorid-Ionen
Eigenschaften und Einsatz: Fluorid-Ionen-Systeme besitzen eine hohe theoretische Energiedichte. Viele bekannte Elektrolyte arbeiten bislang jedoch nur bei erhöhten Temperaturen oder erreichen bei Raumtemperatur keine ausreichende Ionenleitfähigkeit.

9. Metall-Luft-Systeme

Metall-Luft-Systeme verwenden Sauerstoff aus der Umgebungsluft als Reaktionspartner. Dadurch muss ein Teil des aktiven Materials nicht innerhalb der Zelle gespeichert werden. Das ermöglicht theoretisch hohe Energiedichten, erschwert jedoch die elektrische Wiederaufladbarkeit.

Eisen-Luft-Akku
Akkusystem: Eisen-Luft	Typische Spannung: ca. 1,0 bis 1,3 Volt
Abkürzung: Fe-Air	Speicherprinzip: Reversible Oxidation und Reduktion von Eisen
Eigenschaften und Einsatz: Eisen-Luft-Akkus setzen auf preiswerte und gut verfügbare Materialien. Wegen ihrer niedrigen Leistungs- und Energiedichte eignen sie sich vor allem für stationäre Langzeitspeicher.
Aluminium-Luft-System
Akkusystem: Aluminium-Luft	Praktische Spannung: häufig ca. 1,2 bis 1,4 Volt
Abkürzung: Al-Air	Wiederaufladbarkeit: Meist nicht klassisch elektrisch wiederaufladbar
Eigenschaften und Einsatz: Aluminium-Luft-Zellen erreichen eine hohe theoretische Energiedichte. Das Aluminium wird bei der Reaktion jedoch verbraucht und muss meist mechanisch ersetzt oder außerhalb der Zelle regeneriert werden.
Magnesium-Luft-System
Akkusystem: Magnesium-Luft	Praktische Spannung: häufig ca. 1,2 bis 1,7 Volt
Abkürzung: Mg-Air	Wiederaufladbarkeit: Meist mechanisch oder extern regenerierbar
Eigenschaften und Einsatz: Magnesium-Luft-Systeme bieten eine hohe theoretische Energiedichte und verwenden gut verfügbares Magnesium. Selbstkorrosion und die begrenzte Wiederaufladbarkeit verhindern bislang eine breite Nutzung als klassischer Akku.

Welche Begriffe werden häufig verwechselt?

Li-Ion und LiPo

Li-Ion ist ein Oberbegriff für Akkus, bei denen Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode wandern. LiPo beschreibt meistens eine Lithium-Ionen-Zelle in flacher Pouch-Bauform mit polymer- oder gelartigem Elektrolyten.

AGM und Gel

AGM und Gel sind keine vollständig eigenständigen Grundchemien. Beide gehören zu den Blei-Säure-Akkus. Der wesentliche Unterschied liegt darin, wie der Elektrolyt innerhalb der Zelle gebunden wird.

Festkörperakku

Der Begriff Festkörperakku beschreibt den Elektrolyten, nicht automatisch die Elektrodenchemie. Ein Festkörperakku kann mit einer NMC-, LFP-, Schwefel- oder anderen Kathode aufgebaut werden.

LFP und LiFePO4

LFP und LiFePO4 bezeichnen dieselbe Lithium-Eisenphosphat-Chemie. LFP ist die gebräuchliche Kurzform, während LiFePO4 die chemische Formel beschreibt.

Welches Akkusystem ist das beste?

Ein grundsätzlich bestes Akkusystem gibt es nicht. Die Auswahl hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab:

Hohe Energiedichte: NMC, NCA, LCO und neuere Silizium-Anoden
Hohe Zyklenlebensdauer: LFP, LTO, Redox-Flow und bestimmte Nickel-Systeme
Hohe Strombelastbarkeit: AGM, TPPL, NiCd, LTO, LFP und leistungsorientierte NMC-Zellen
Geringe Kosten: Blei, LFP, Natrium-Ionen, Eisen- und Zinksysteme
Geringes Gewicht: Lithium-Ionen, Lithium-Polymer und zukünftige Lithium-Metall-Systeme
Stationäre Langzeitspeicherung: Redox-Flow, Eisen-Luft, Natrium-Hochtemperatur und Zinksysteme
Sehr schnelles Laden: LTO und entsprechend ausgelegte Lithium-Hochleistungszellen

Warum ist die Ladeschlussspannung so wichtig?

Die Ladeschlussspannung bestimmt, bis zu welchem Spannungswert eine Zelle geladen werden darf. Bereits geringe Abweichungen können bei bestimmten Akkusystemen zu beschleunigter Alterung, Kapazitätsverlust, Gasung, Überhitzung oder einer sicherheitskritischen Überladung führen.

Besonders bei Lithium-Akkus muss das Ladegerät exakt zur Zellchemie passen. Ein LiFePO4-Akku mit etwa 3,65 Volt Ladeendspannung pro Zelle darf nicht mit einem Ladeverfahren für klassische 4,20-Volt-Lithium-Ionen-Zellen geladen werden.

Fazit

Die moderne Akkutechnik umfasst weit mehr als Blei, NiMH und klassische Lithium-Ionen-Zellen. Neben etablierten Systemen wie NMC, LFP, LTO, AGM und NiMH gewinnen Natrium-Ionen-, Silizium-, Festkörper-, Zink- und Redox-Flow-Systeme zunehmend an Bedeutung.

Welche Technologie sich langfristig durchsetzt, hängt nicht allein von der maximalen Energiedichte ab. Ebenso entscheidend sind Rohstoffverfügbarkeit, Kosten, Sicherheit, Ladegeschwindigkeit, Temperaturverhalten, Recyclingfähigkeit und die erreichbare Lebensdauer.

Häufig gestellte Fragen zu Akkusystemen

Kann ein LiFePO4-Akku mit einem normalen Li-Ion-Ladegerät geladen werden?

Nein, sofern das Ladegerät nicht ausdrücklich eine LiFePO4-Ladekennlinie unterstützt. Eine klassische Lithium-Ionen-Zelle wird häufig bis 4,20 Volt geladen, während eine LiFePO4-Zelle üblicherweise bei etwa 3,60 bis 3,65 Volt ihre zulässige Ladeendspannung erreicht.

Ist ein LiPo-Akku eine eigene Akkuchemie?

LiPo ist nicht zwingend eine eigenständige Kathodenchemie. Die Bezeichnung beschreibt meist eine Lithium-Ionen-Zelle mit polymer- oder gelartigem Elektrolyten und einer flexiblen Pouch-Verpackung.

Welche Vorteile besitzt ein Natrium-Ionen-Akku?

Natrium ist gut verfügbar und geografisch breit verteilt. Natrium-Ionen-Akkus können deshalb langfristig eine preisgünstige Alternative für stationäre Speicher, kleinere Fahrzeuge und Anwendungen mit geringeren Anforderungen an Gewicht und Energiedichte werden.

Welches Akkusystem besitzt die längste Lebensdauer?

Sehr hohe Zyklenzahlen erreichen unter geeigneten Betriebsbedingungen unter anderem LTO-, LFP-, Nickel-Eisen- und Redox-Flow-Systeme. Die tatsächliche Lebensdauer hängt stark von Temperatur, Ladezustand, Entladetiefe, Strombelastung und Ladeverfahren ab.

Was ist der Unterschied zwischen NMC und LFP?

NMC bietet meist eine höhere Energiedichte und eignet sich daher besonders für Anwendungen mit begrenztem Bauraum und Gewicht. LFP besitzt dagegen häufig eine höhere Zyklenfestigkeit, eine stabile Zellchemie und verwendet weder Nickel noch Cobalt als wesentliche Kathodenbestandteile.

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