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Kapazität einer Batterie

Definition: die Ladungsmenge oder die Energie, die eine Batterie abgeben kann

Alternative Begriffe: Batteriekapazität, Speicherkapazität

Englisch: capacity of a battery

Kategorien: elektrische Energie, Energiespeicherung, Grundbegriffe

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 31.07.2020; letzte Änderung: 03.08.2020

Unter der Kapazität (seltener: Speicherkapazität) einer Batterie (die aufladbar sein kann oder auch nicht) versteht man im Prinzip einfach entweder die Menge elektrischer Ladung oder von elektrischer Energie, die die Batterie im Betrieb insgesamt abgeben kann, bis sie ersetzt oder wieder aufgeladen werden muss. Im Detail wirft dies jedoch diverse Fragen auf, die hier geklärt werden.

Ladung oder Energie

Häufig bezieht sich die angegebene Kapazität auf die elektrische Ladung, die meistens in Einheiten von Amperestunden (Ah) angegeben wird, oder in kleineren Einheiten wie Milliamperestunden (mAh = 0,001 Ah). Beispielsweise hat eine Autobatterie (Starterbatterie) typischerweise eine Kapazität in der Größenordnung von 50 bis 100 Ah. Dies bedeutet, dass beispielsweise eine elektrische Stromstärke von 1 A für 50 bis 100 Stunden an einen Verbraucher abgegeben werden kann, oder eine höhere Stromstärke für entsprechend kürzere Zeit. Dagegen haben kleine Haushalts-Akkus im AAA-Format typischerweise eine Kapazität von ca. 800 bis 1100 mAh.

Von Interesse ist häufig eher die abgegebene Energiemenge, da eine Batterie ja letztendlich als Energiespeicher dient. Diese erhält man einfach durch Multiplikation der Ladung mit der elektrischen Spannung, da die Spannung nichts anderes ist als die Energie pro Ladungsmenge. Beispielsweise liefert eine Autobatterie, die 50 Ah bei einer Spannung von 12 V abgeben kann, dabei die Energiemenge von 12 V · 50 Ah = 600 Wh = 0,6 kWh (Kilowattstunden). Dagegen sind es bei einem AAA-Akku mit 1000 mAh = 1 Ah und einer Spannung von 1,2 V nur 1,2 V · 1 Ah = 1,2 Wh = 0,0012 kWh.

Bei Elektroautos wird die Kapazität meistens in Kilowattstunden (kWh) angegeben, was dann zusammen mit dem Verbrauch pro 100 km (z. B. 15 kWh) die Reichweite ergibt. Beispielsweise kommt man mit einer 45-kWh-Batterie 300 km weit, wenn der spezifische Verbrauch bei 15 kWh pro 100 km liegt. Wenig anfangen kann man dagegen mit der Kapazität im Sinne einer Ladung (z. B. 120 Ah), wenn die Batteriespannung nicht bekannt ist. Verschiedene Batterien anhand ihrer Ladungs-Kapazitäten zu vergleichen, macht höchstens dann Sinn, wenn man ihre Spannungen bekannt sind.

Auch bei Solarstromspeichern ist sinnvollerweise die Angabe der speicherbaren Energie und nicht der Ladungmenge üblich.

Je nach Art der angegebenen Kapazität könnte man klarer von Ladungs-Kapazität oder Energie-Kapazität sprechen, aber diese Begriffe sind nicht gebräuchlich.

Ursprüngliche Batteriespannung

Bei einer nicht aufladbaren Batterie beginnt man eben mit der Spannung, die sie anfänglich (direkt nach der Herstellung, oder nach einiger Lagerung) hat. Bei aufladbaren Batterien (Batterie) dagegen kommt es darauf an, wie stark man sie vorher geladen hat. Das Laden erfolgt üblicherweise, bis die Batterie eine festgelegte Ladeendspannung erreicht hat, die aber ein Stück weit willkürlich festgelegt werden kann. Höhere Werte führen natürlich zu einer höheren Kapazität, aber häufig dann auch zu einer reduzierten Lebensdauer und eventuell einer reduzierten Energieeffizienz.

Entladeendspannung

Die größte Kapazität erhielte man im Prinzip, wenn man eine Batterie so lange entlädt, bis sie überhaupt keine Spannung mehr liefern kann. Dies ist in der Praxis jedoch in aller Regel nicht sinnvoll, weil erstens die betriebenen Verbraucher eine gewisse Mindestspannung benötigen, um richtig zu funktionieren, und zweitens viele aufladbare Batterien durch eine sogenannte Tiefentladung (also zu starke Entladung) geschädigt werden können. (Beispielsweise ist eine Lithium-Batterie nach einmaliger Tiefentladung meist bereits endgültig zerstört.)

Aus diesen Gründen muss man in der Praxis eine sinnvolle Entladeendspannung festlegen, d. h. die an der Batterie anliegende Spannung, bei der die Entladung beendet wird, weil das vorgesehene Gerät nicht mehr sicher funktioniert oder die Batterie beschädigt werden könnte. Allerdings ist diese Festlegung ein Stück weit willkürlich, und sie beeinflusst dann natürlich die erhaltene Kapazität.

Nutzbare Kapazität

Die Kapazität beispielsweise der Fahrbatterie eines Elektroautos wird manchmal in verschieden großen Varianten angegeben. Ein höherer Wert kann der nominale Wert sein, den der Batteriehersteller geliefert hat. Der Autohersteller entscheidet sich aber häufig dafür, effektiv nur einen deutlich kleineren Wert für das Fahrzeug zu nutzen; das bedeutet, dass er die Ladeendspannung etwas reduziert und die Entladeentspannung etwas höher wählt, um damit eine höhere Batterielebensdauer zu erzielen und Reklamationen wegen vorzeitiger Defekte zu vermeiden. Wie defensiv er hierbei vorgeht, dürfte in der Regel von den vorgesehenen Betriebsbedingungen abhängen.

Bei Nickel-Metallhybrid-Akkus, die in manchen Fahrzeugen mit Hybridantrieb eingesetzt werden, hat es sich gezeigt, dass beispielsweise eine genutzte Kapazität, die nur etwa der Hälfte der Nominalkapazität entspricht, zu einer massiv höheren Lebensdauer führt.

Abhängigkeit vom Entladestrom

Im Prinzip kann die Kapazität einer Batterie auch vom gewählten Entladestrom abhängen, aber in den meisten Fällen ist diese Abhängigkeit schwach. Allenfalls kann bei starker Strombelastung die Spannung wegen des Innenwiderstand der Batterie deutlich abfallen und dadurch die Ladeentspannung vorzeitig erreicht werden, sodass die Kapazität geringer ausfällt. Dies bedeutet aber, dass die Batterie eigentlich nicht vollständig entladen (genutzt) wurde.

Kapazitätsverlust durch Alterung

Das Ende der Lebensdauer einer aufladbaren Batterie besteht in der Regel nicht darin, dass sie plötzlich zu funktionieren aufhört. Vielmehr lässt ihre Kapazität allmählich nach, bis sie schließlich für die vorgesehene Anwendung zu gering ist. (In manchen Fällen kann eine Batterie dann für eine andere, weniger anspruchsvolle Anwendung weiterhin verwendet werden; man spricht dann von “second life”.)

Die Geschwindigkeit der Alterung kann stark von diversen Faktoren abhängen, beispielsweise von den Temperaturen im Betrieb und auch bei der Lagerung.

Wovon hängt die Kapazität eines Akkumulators ab?

Die Kapazität eines Akkus hängt in erster Linie von seiner Größe und Bauart ab, ebenfalls von der Verschaltung der enthaltenen Akku-Zellen. Beispielsweise enthält eine Autobatterie (Starterbatterie) üblicherweise sechs Zellen mit jeweils ca. 2 V Spannung, die in Reihe geschaltet sind, um die benötigten 12 V zu erhalten. Wenn man nur jeweils drei der enthaltenen Zellen in Reihe schalten würde und zwei solcher Stränge parallel, erhielte man eine 6-Volt-Batterie doppelter Kapazität im Sinne der Ladung, obwohl die lieferbare Energiemenge unverändert bliebe.

Eine hohe Kapazität ist andererseits möglich durch Verwendung eines Batteriesystems mit hoher Energiedichte, oder eben durch Verwendung entsprechend größerer Zellen.

Man beachte, dass die Kapazität nur eine von mehreren Qualitäten einer Batterie ist, und dass die Maximierung der Kapazität auf Kosten anderer Qualitäten gehen kann. Ein Akkutyp höchster Kapazität ist also nicht unbedingt rundum der beste.

Kapazität eines Kondensators

Da auch ein Kondensator ein Speicher für elektrische Energie ist, könnte man abwarten, dass dessen Kapazität so ähnlich definiert wird wie die einer Batterie. Dies ist jedoch nicht der Fall. Die Kapazität eines Kondensator ist die abgegebene Ladung dividiert durch die Absenkung der anliegenden Spannung. Beispielsweise bedeutet eine Kapazität von 0,1 F (Farad), dass der Kondensator beim Aufladen jeweils 0,1 C Ladung aufnimmt, wenn seine Spannung um 1 V gesteigert wird. Diese Art von Kapazität hat also sogar andere Einheiten als die einer Batterie: Farad = Coulumb pro Volt.

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