Preis-Leistungsverhältnis bei AA-Batterien

Preis-Leistungsverhältnis
bei AA-Batterien
Markus Gamper, Gavin Roberts, Dominic von Wartburg, Damian Ruppen
Auftraggeber: Kantonsschule Kreuzlingen
Betreuer: Daniel Zurmühle
Naturwissenschaftswoche der Kantonschule Kreuzlingen
Kreuzlingen, 22.09.2004
Preis-Leistungsverhältnis
bei AA-Batterien
Markus Gamper, Gavin Roberts, Dominic von Wartburg, Damian Ruppen
Auftraggeber: Kantonsschule Kreuzlingen
Betreuer: Daniel Zurmühle
Zusammenfassung
Im Rahmen einer Naturwissenschaftlichen Woche an der Kantonsschule Kreuzlingen wurde
das Preis-Leistungsverhältnis von 1.5V AA-Mignon-Batterien untersucht und ermittelt. Im Test
wurden insgesamt 4 Batterien von 3 unterschiedlichen Herstellern getestet. Es ging darum im
Alltag vorkommende Szenarien zu simulieren.
Es galt Widerstände zu finden, die
gebräuchlichen Gegenständen entsprechen oder zumindest nahe kommen. So wurden nach
diesen Kriterien 4 Tests durchgeführt: Ein Hochleistungstest (R= 1.5 Ohm), ein Langzeittest
(R=27 Ohm), sowie zwei Mittellaufzeittests, wobei den Batterien bei dem einen eine
Ruhepause von 17 Stunden und 43 Minuten gegönnt wurde. Es lässt sich sagen, dass teure
Batterien im Kurzzeittest besser abschneiden als Billigere, bei längeren Tests fällt der Preis
nicht mehr so fest ins Gewicht. Abschliessend lässt sich noch bemerken, dass sich die Duracell
Ultra zwar als teuerste aber auch leistungsfähigste Batterie erwiesen hatte – und der Hersteller
somit seine „Versprechen“ hielt. Die Migros versprach uns nichts – wohl zurecht, denn sie hätte
ihre Versprechen nicht halten können.
Summary
During a scientifistic week of the Kantonschule Kreuzlingen an ascertainment was started to
find out the relation between price and outputted power of 1.5V-Mignon-batteries. 4 batteries
of 3 diffrent mades have been tested. Scenarios of the daily life should be reproduced and
simulated. So realistic resistors were searched. Thus according to these criteria 4 tests were
accomplished: A high current test (R = 1,5 ohms), a long term test (R=27 ohm), as well as two
tests during a middle long term, whereby the batteries were given a break of 17 hours and 43
minutes. That expensive batteries are in the short time test fare better than cheaper ones,
according longer tests the price makes less difference. Finaly can be said, that the Duracell
Ultra had proven as the most expensive one but also the most efficient battery - and the
manufacturers held its „promise“. The Migros did not promise us anything - probably by right,
because it could not have held their promises.
-2-
Vorwort
Diese Arbeit entstand im Rahmen der Naturwissenschaftswoche der Kantonsschule
Kreuzlingen. Ausschalggebend bei der Wahl unseres Themas waren die Erfahrungen aus dem
Alltag, die man als junger Mensch bedingt durch Minidisc/Discman/Walkman/Taschenlampe
etc. mit Batterien gemacht hat. Wir wollten der Frage nachgehen, ob es denn Sinn mache,
immer die teuersten Fabrikate zu kaufen, in der Erwartung dadurch auch die leistungsfähigste
Batterie erstanden zu haben. Dadurch stellt sich fast schon automatisch die Frage nach dem
Preis-Leistungsverhältnis, welches wir im weiteren Verlauf der Arbeit zu ermitteln versuchen
werden.
Einleitung
Trotz des immer mehr gebräuchlichen Akkus spielen Batterien, im Speziellen der Standard-Typ
AA (1.5 V), nach wie vor eine unbestritten wichtige Rolle im Alltag. Bereits um das Jahr 250 v.
Chr. wurden von babylonischen Siedlern erste Schritte in Richtung unserer heutigen Batterien
unternommen. In der Nähe von Bagdad entdeckte man Tongefässe von ca. 15cm Höhe, deren
Innenraum einer galvanischen Zelle ähnelt: Ein Kupferrohr, in das senkrecht zur Achse ein
Eisenstab angebracht ist, sowie eine Asphaltisolierung an deren oberen Ende. Die Leistung
einer solchen „urtümlichen Batterie“ wird auf eine erzeugte Spannung von rund 0.25V
geschätzt.
Weitere wichtige Entwicklungen sind: -1865: Leclanché erfindet Kohle/Braunstein/Zink Element => Kohle-Zink Batterie (MBudget)
-1882: Lalande und Chaperon entdecken das alkalische
Element (Zn/NaOH/CuO)
=> Alkali Batterie (z.B. Energizer Ultra+)
-1949: Patentierung des Lithium-Batteriesystems
=> „ideale“ Batterie (Energizer e2)
Während der Sonderwochen versuchten wir unter einer begrenzten Anzahl von zwei
unterschiedlichen Batterietypen1 die Batterie mit dem „besten“ Preis-Leistungsverhältnis zu
ermitteln.
Zur Evaluierungen dienen, folgende von uns aufgestellte Fragestellungen:
–
Hypothese Nr. 1): „Teure AA-Batterien schneiden im Preis-Leistungsverhältnis besser ab als
billigere Fabrikate.“
–
Hypothese Nr. 2): „Herstellerangaben sind beschönigt.“
–
Hypothese Nr. 3): „Batterien regenerieren sich in einer Ruhepause.“
1 Mit dem Batterientyp sind nicht die verschiedenen Herstellermarken der Batterien gemeint, sondern
deren chemische Zusammensetzung => Kohle-Zink / alkalisch
-3-
Material, Aufbau und Methodik
Batterieangaben
Als Testbatterien dienten uns eine teure Batterie (Duracell Ultra), zwei Durchschnitsbatterien
(Energizer Ultra und Duracell Plus) und eine Billigprodukt (Migros Budget).
Hersteller-
Migros Budget
Duracell Plus
Duracell Ultra
angaben
Grösse
Batterietyp
Energizer Ultra
M3
AA
Kohle-Zink
AA
AA
AA
Alkali Mangan (exakt Zn/MnO2 – Alkaline-Manganese
Dioxide)
Batterie
1.5
Spannung (V)
Volumen cm3
Keine Angaben
8.4
8.4
8.1
Gewicht (g)
Keine Angaben
23.8
24.4
23
Keine Angaben
181
81
146
Indonesien
EU
EU
Schweiz
Innenwiderstand
(mOhm)
Hergestellt in
Abbildung 1: Herstellerangaben
Zink-Kohle (Migros Budget)2
Der französische Ingenieur Georges Leclaché erfand 1860 das Braunstein/Zink-Element mit
Salmiakelektronen. Noch heute werden weltweit pro Jahr mehrere Milliarden Stück von diesem
Batterietyp hergestellt. Die Kohle-Zink Batterie stellt weiterhin eine relativ günstige Variante
gegenüber den Alkali-Mangan Batterien und den wiederaufladbaren Akkus dar. Heute
verdrängen aber die steigenden Ansprüche an Kapazität und Leistung diesen Batterietyp.
Die positive Elektrode der Kohle-Zink Batterie besteht aus Kohle, die negative Elektrode und
das Zellengefäss aus Zink. Als Elektrolyt dient für ein hochwertiges System eine
Zinkchloridlösung und für ein minderwertiges eine Salmiaklösung.
2 „Die Welt der Batterien“: http://www.grs-batterien.de/schulen/index.htm
-4-
Alkali Mangan (Duracell Plus, Duracell Ultra und Energizer Ultra)3
(Genauer Name: Zn/MnO2 – Alkaline-Manganese Dioxide)
Die Alkalibatterien sind eigentlich Zink-Kohle-Batterien, die mit alkalischen Elektrolyten
angereichert ist. Dieser Batterietyp wurde ursprünglich im zweiten Weltkrieg für die
amerikanische Armee entwickelt. Anfang der siebziger Jahre kamen die ersten Alkalibatterien
auf den zivilen Markt. Mitte der achtziger Jahre werden in Europa mehr Alkalibatterien als ZinkKohle-Batterien verkauft. Die Anode besteht aus Zink und die Kathode ist aus Braunstein
hergestellt. Heute sind verbesserte Alkali-Mangan-Batterien erhältlich, die bis zu 15-mal mehr
leisten als vergleichbare Zink-Kohle-Batterien.
Innenwiderstand
Im Rahmen unserer Arbeit wurde eine Versuchsreihegestartet, in der es darum ging, die vom
Hersteller angegebene Werte zu überprüfen. Um einen Ausgangspunkt für die Messungen des
Innenwiderstandes der verschiedenen Batterien zu erhalten, musste festgestellt werden, wie
sich der Leistungs- bzw. Spannungsabfall bei veränderlichem Widerstand verhalten würde.
Sprich, es galt, um es arithmetisch zu formulieren, die Steigung der Geradengleichung
U k = U 0−I⋅Ri
herauszufinden, wobei Uk die Klemmenspannung, U0 die Leerlaufspannung, I der Strom und RI
der Innenwiderstand ist. Da
lediglich I und Uk
bekannt waren, musste aufgrund der
erhaltenenen Messwerte eine Tabelle erstellt werden. Das Programm ist befähigt durch diese
Daten eine Regressionsgerade zu zeichnen. An dieser Geraden ist der Innenwiderstand in
Form der Steigung der Geraden abzulesen.
Hochstromtest
Bei diesem Hochleistungstest sollte die billigste und die teuerste Batterie verglichen werden
(MBudget „gegen“ Duracell Ultra). Der Versuchsaufbau unterschied sich nicht von den
anderen, abgesehen davon, dass uns hierbei der Computer als Messgerät diente. Dessen
Sensor mass pro Minute 10 mal die Spannung der zwei Testbatterien. Als Widerstand wurde
zuerst eine 1.5 Ohm Widerstandsdraht gewählt. Solch tiefe Widerstände, die einen hohen
Stromfluss zur Folge haben, findet man im täglichen Leben oft im Modellbau (Flugzeuge,
Rennautos etc.). Nachdem wir aber den Versuch gestartet hatten, erhitzte sich der
Widerstandsdraht so fest, dass er zu glühen anfing, was dazu führte, dass die
3 „Die Welt der Batterien“: http://www.grs-batterien.de/schulen/index.htm
-5-
Plastikklammern,
die
den
Kontakt
zum
Widestand herstellten, zu schmelzen anfingen.
Nach diesem Fehlversuch verwendeten wir nur
noch
1.5
Ohm
Keramikisolierte
Heizungsdrähte
Klammern,
und
welche
auch
höhere Temperaturen aushalten können.
Test mit kleinem Strom
Der erste Versuch der durchgeführt wurde
bekam den Namen „Langzeittest“, dies aus
einem einfachen Grund, der Lastwiderstand
wurde
so
gewählt,
dass
der
Abbildung 2: Schaltkreisskizze
Versuch
mindestens 50 Stunden dauern würde. Die
Daten wurden vom Computer mit LoggerPro
3.3 aufgezeichnet, da nur zwei Sensoren
verfügbar waren, konnten aber nur zwei
Batterien getestet werden. Der Entscheid fiel
auf die zwei „Mittelklasse-Batterien“, die von
Energizer und die Duracell Plus. So konnten
diese beiden preislich auf etwa gleichem
Level
stehenden
miteindander
Batterien
verglichen
werden.
direkt
Der
anzuhängende Lastwiderstand wurde durch
vorhandene
Daten
ermittelt.
Auf
http://data.energizer.com/ unter Contents –
Battery Type – Primary – Energizer –
Consumer/OEM – E91, ist die Kapazität der
Abbildung 3: Schalterskizze
verwendeten Energizer-Batterie aufgeführt, diese beträgt 2850mAh. Der Versuch sollte gegen
die 50 Stunden dauern. Ein vorhandener akzeptabler Widerstand mass 27 Ohm. Der
Widerstände wurde am positiven Pol der Batterien angelötet und zwischen den Widerständen
und den
negativen Polen wurde ein Kabel
angelötet. Die beiden Stecker der Sensoren
wurden am negativen bzw. dem positiven Pol angesteckt.
Test mit mittlerer Laufzeit
Bei diesem Versuch standen alle vier Batterien im direkten Vergleich zueinander. Als Ziel
setzten wir uns eine realistische Entladung innerhalb einer mittleren Zeitspanne, wie sie zum
Beispiel durch eine digitale Videokamera erfolgt. Die vier Batterien waren jeweils mit einem
-6-
Widerstand von 2,5 Ohm verbunden. Die Messung erfolgte analog durch vier Voltmeter. In
einem kontinuierlichen Zeitabstand von 10
Minuten wurden die Werte manuell abgelesen
und in eine Tabelle eingetragen.
Mittellaufzeittest mit Erholungsphase
Der Schaltkreis und das Messverfahren sind
bei diesem Versuch absolut identisch mit dem
Test mit mittlerer Laufzeit. Den Batterien wurde
hierbei lediglich eine Erholoungsphase von 17
Stunden und 43 Minuten gewährt. Ziel des
Ganzen war der Beweis unserer Vermutung,
dass
sich
die
Ruhephase
Batterien
ansatzweise
innerhalb
zu
der
regenerieren
Abbildung 4: Schalterskizze
beginnen würden.
Resultate
Überprüfung der Herstellerangaben
Die Leistungsangaben der Hersteller wurden ebenfalls überprüft, dass heist Volumen, Gewicht
und Innenwiderstand.
Tatsächlich
Migros Budget
Duracell Plus
gemessene
Duracell Ultra
Energizer Ultra
M3
Werte
Grösse
Batterietyp
Batterie
Spannung (V)
Volumen cm3
AA
Kohle-Zink
1.725 / 1.5
7.6 / keine
Angabe
Gewicht (g)
18.3 / keine
Angabe
Innenwiderstand
(mOhm)
Hergestellt in
642 / keine
Angabe
Indonesien
AA
AA
AA
Alkali Mangan (exakt Zn/MnO2 – Alkaline-Manganese
Dioxide)
1.680 / 1.5
1.675 / 1.5
1.680 / 1.5
7.7 / 8
8 / 8.4
7.8 / 8.1
24.6 / 23.8
24.55 / 24.4
24.29 / 23
299 / 181
346 / 81
243 / 146
EU
EU
Schweiz
-7-
Abbildung 5: Fett: tatsächlich gemessene Werte, Kursiv: Herstellerangaben
1.4
Spannung (Volt)
1.2
1
0.8
Mbudget
Durazell Ultra
Spannungsminimum
0.6
0.4
0.2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Zeit (min)
Abbildung 6: Entladung mit hohen Entladunsströmen
1.6
1.4
Spannung (Volt)
1.2
1
Duracell+
Energizer
Spannungminimum
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
10
20
30
40
50
Zeit (Stunden)
Abbildung 7: Entladung mit kleinen Entladeströmen
-8-
60
70
1.600
1.400
Spannung(Volt)
1.200
Mbudget
DuracellPlus
DuracellUltra
Energizer
Spannungsminimum
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Zeit(min)
Abbildung 8: Entladung ohne Unterbruch (Mittlere Entladeströme)
1.600
Spannung (Volt)
1.400
1.200
1.000
Mbudget
DuracellPlus
DuracellUltra
Energizer
Spannungsminimum
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Zeit (min), bei 30 min ein Unterbruch von 17 h 43 min
Abbildung 9: Entladung mit Unterbruch (Mittlere Entladeströme)
-9-
Diskussion
Da die meisten Geräte eine Minimalspannung von 0.8 Volt benötigen, wurde eine Batterie mit
0.8 Volt in den folgenden Experimenten als unbrauchbar bezeichnet.
Überprüfung der Herstellerangaben
Wie in Tabelle 2 zu sehen ist, stimmen die Herstellerangaben nicht immer mit den tatsächlich
gemessenen Werten überein. Die Leerlaufspannung ist nicht wie angegeben 1,5 Volt, sondern
liegt bei allen neuen Batterien deutlich darüber. Wahrscheinlich handelt es sich bei den
Herstellerangaben um Normwerte. Eine andere Erklärung wäre, dass die Spannung zu Beginn
sehr stark sinkt und sich der Graph ab ca. 1,5 Volt abflacht. Bei Volumen und dem
Innenwiderstand weichen die gemessenen Werte manchmal ziemlich stark von den
Herstellerangaben ab. Hochstwahrscheinlich auf Grund von verschiedenen Messmethoden.
Das Gewicht wurde mit einer hochpräzisen Waage gemessen, wieso das Gewicht so stark
abweicht ist dem Autor dieser Arbeit auch unerklärlich.
Hochstromtest
Bei diesem Test war die teure Duracell Ultra Batterie der billigen MBudget Batterie klar
überlegen. Die Spannung der Duracell Ultra Batterie fällt mit der Zeit annähernd linear ab, wo
hingegen die MBudget Batterie sehr rapide an Spannung verlor und schon nach 12 Minuten
unbrauchbar war. Die Duracell Ultra Batterie hingegen war erst nach einer Stunde und 8
Minuten unbrauchbar. Dies zeigt ganz klar, dass bei einem hohen Bedarf an Leisung, verteilt
über eine kurze Zeit, teure Batterien ganz klar besser abschneiden.
Test mit kleinem Strom
Bei diesem Test wurde die Leistung zweier Mittelklasse-Batterien über eine lange Zeitspanne
verglichen. Nachdem die Spannung anfangs verteilt über fünf Stunden rapide abgenommen
hatte verlief sie die nächsten 40 Stunden annähernd linear. Am Schluss stieg dann der
Spannungsabfall noch einmal an, bis dann die Duracell Plus nach 62 Stunden und 30 Minuten
unbrauchbar wurde. Die 10 Rappen billigere Energizer Ultra wurde erst nach 63 Stunden und
32 Minuten unbrauchbar. Dass heisst das sich diese zwei Mittelklassebatterien nur sehr gering
im Bezug auf Preis und Leistung bei einer Langzeitnutzung unterscheiden.
Mittellaufzeittest ohne Unterbruch
Bei diesem Test wurden alle vier Batterien miteinander verglichen. Die billigste der vier
Batterien, die MBudget fiel schon nach 55 Minuten unter den Wert von 0.8 Volt, während die
anderen drei Batterien noch klar über 1.1 Volt aufwiesen. Die anderen Batterien waren noch
-10-
mindestens zwei weitere Stunden brauchbar. Bemerkenswert ist der enorm schnelle Abfall der
Energizer Batterie nach 3 Stunden und 5 Minuten. Die teurere Duracell Batterie lieferte gerade
einmal zwanzig Minuten länger brauchbaren Strom als die billigere Duracell Batterie.
Mittelzeittest mit Unterbruch
Bei diesem Test fielen die Ergebnisse beinahe gleich aus, wie beim Mittelzeittest ohne
Unterbruch. Während dem Unterbruch stieg die Spannung zwar wieder an. Nach diesem fiel
die Spannung aber wieder sehr stark. In der Abbildung 9 ist zu sehen, dass die Graphen nach
dem Unterbruch sehr schnell wieder auf die Kurve zurückfallen, welche sie ohne Unterbruch
eingenommen hätten. Nur die Energizer-Batterie fiel nach dem Unterbruch sogar tiefer als
ohne Unterbruch. Darum fiel die Energizer bei diesem Versuch auch 10 Minuten schneller
unter den Minimalwert als beim Test ohne Unterbruch.
Preis-Leistungsverhältnis
Testart
MBudget
DuracellPlus
DuracellUltra
EnergizerUltra
Kurzzeittest
17.15 min/Fr.
-
28.65 min/Fr.
-
Mittelzeit ohne
78.60 min/Fr.
88.60 min/Fr.
81.25 min/Fr.
79.5 min/Fr.
77.15 min/Fr.
89.10 min/Fr.
82.10 min/Fr.
69.25 min/Fr.
-
1890 min/Fr.
-
1967 min/Fr.
Unterbruch
Mittelzeit mit
Unterbruch
Langzeittest
Abbildung 10
Das Preisleistungsverhältniss wurde folgendermassen berechnet:
Zeit in Minuten, bis die Spannung unter 0,8 Volt fällt
in
Stückpreis
min
Fr
Es lässt sich sagen, dass teure Batterien im Kurzzeittest besser abschneiden als Billigere, bei
längeren Tests fällt der Preis nicht mehr so fest ins Gewicht.
-11-
Bilder von den Experimenten
Abbildung 11: Messung des Innenwiderstandes
Abbildung 12: Test mit hohem Strom
Abbildung 13: Test mit kleinem Strom
-12-
Literaturverzeichnis
Internet
Herstellerangaben:
Duracell Plus/Ultra:
http://professional.duracell.com/start.asp?section=product_data&page=alkaline&hardload=che
mistrylist&chemistry=alkaline&lang=german
[aktualisiert: 20.9.04]
Energizer No. E91:
http://data.energizer.com/ [aktualisiert: 20.9.04]
Allgemeines zur Geschichte der Batterie:
„Die Welt der Batterien“: http://www.grs-batterien.de/schulen/index.htm
-13-