Batterie-Test von Alkali und Zink Batterien (nichtwiederaufladbare bzw. Primärbatterien)

Inhaltsverzeichnis

01. Einleitung
02. Wesentliche Ergebnisse im Überblick
03. Energieinhalt von Batterien
04. Nutzbarer Energieanteil
05. Ladezustand vs. Ruhespannung: Theorie
06. Ladezustand vs. Ruhespannung: Diagramme
07. Ladezustand vs. Ruhespannung: Tabellen
08. Spannungsverlauf vs. Zeit: Einleitung
09. Spannungsverlauf vs. Zeit: Alkali, 100 Ohm
10. Spannungsverlauf vs. Zeit: Alkali, 10 Ohm
11. Spannungsverlauf vs. Zeit: Zink, 100 Ohm
12. Spannungsverlauf vs. Zeit: Zink, 10 Ohm
13. Überblickseite über alle Einzeltests
14. Vergleichende Bewertung: Rangfolgen
15. Vergleichende Bewertung: Energieinhalte
16. Exemplarstreuungen: Beispiele

Hier werden nicht-wiederaufladbare Batterien, so genannte Primärzellen, ausführlich getestet, und die Ergebnisse detailliert vorgestellt.

Es wird sich zeigen, dass die Angabe von "Kapazitäten" für Batterien nicht nur sachlich verkehrt, sondern noch nicht einmal geeignet ist, das "Vermögen" von Batterien zutreffend zu beschreiben. Was unter dem "Vermögen" von Batterien sinnvollerweise zu verstehen ist, wird auf diesen Seiten deutlich werden.

Aus praktischen Gründen werden hier nur Batterien der Grösse Mono, D, getestet. In Ausnahmefällen kommen Batterien der Grösse Baby, C zum Einsatz; dabei handelt es sich allerdings um "Findlinge", deren Mindesthaltbarkeitsdatum (MHD) seit vielen Jahren (bis zu 12!) überschritten ist, und deren Tests tiefere Einsichten vermitteln.

Das wichtigste Teilergebnis vorweg:

Kaufe niemals Zinkbatterien. Kaufe stets die billigsten Alkalibatterien. Das Mindesthaltbarkeitsdatum darf mehrere Jahre überschritten sein. Wer absolut sicher gehen will, der kaufe von den billigsten Alkalibatterien die doppelte Menge.

Abgrenzung wiederaufladbare und nicht-wiederaufladbare Batterie

Die gebräuchlichen Begriffe für wiederaufladbare und nicht-wiederaufladbare Batterien sind leider nicht eindeutig. Beide werden richtigerweise als "Akku" oder "Batterie" bezeichnet. Der Begriff Akku ist die Kurzform für Akkumulator (lateinisch "Sammler, Anhäufer"), und bezeichnet die Eigenschaft, Energie speichern zu können. Der Begriff Batterie dagegen bezeichnet den Sachverhalt, dass in der Praxis normalerweise mehrere Akkumulatoren zusammengeschaltet sind.

Die folgende Tabelle ordnet alle gängigen Begrifflichkeiten zutreffend ein. "Batterie" und "Akku" sind somit keine Unterscheidungsmerkmale. Lediglich durch die Präfixe "Primär" und "Sekundär" ist eine eindeutige Unterscheidung möglich.

Nicht Wiederaufladbar	Wiederaufladbar
Primärbatterie	Sekundärbatterie
Primärzelle	Sekundärzelle
Akkumulator, Akku
Batterie
Zelle

Vorteile Primärzellen versus Sekundärzellen

Die folgende Tabelle stellt die Vorteile beider Batteriearten gegenüber.

Primärzelle (Nicht Wiederaufladbar)

Sekundärzelle (Wiederaufladbar)

Günstig in der Anschaffung
Vertragen eine um 10 - 100 fach längere Lagerdauer.

Nach 10 Jahren, bzw. mehrere Jahre nach dem Verfallsdatum immer noch gut verwendungsfähig

Viel höherer Energieinhalt

--> Bei geringen Strömen / Leistungen, oder sporadischem Betrieb wirtschaftlicher

Können wg. Wiederaufladbarkeit häufig wiederverwendet werden
Können auf Dauer höheren Strom / höhere Leistung liefern

--> Bei hohen Strömen / Leistungen, oder regelmässigem Betrieb wirtschaftlicher

Die etwas geringere Spannung von Sekundärbatterien ist, für sich alleine betrachtet, meistens kein Nachteil.
Primärbatterien eignen sich besonders gut für sehr lange Betriebsdauern (etliche Jahre), in denen das Gerät entweder selten oder nie zum Einsatz kommt (private Taschenlampe, Warnlicht), oder für Anwendungen mit sehr niedrigem Stromverbrauch (Uhren).
Sekundärbatterien eignen sich degegen besonders gut für regelmässig, am besten täglich betriebene Geräte mit zugleich hoher Stromaufnahme (Modellbau, bei der Arbeit genutzte Taschenlampe), also Betriebsprofile, die eine schnelle Entladung zur Folge haben.

Kapazität

Für beide Zellenarten hat sich zur Beschreibung ihres Vermögens der Begriff "Kapazität" durchgesetzt. Dies kann man nur als Unfall bezeichnen, denn erstens ist der Begriff an sich schon falsch, zweitens ist das, was sich dahinter verbirgt, überhaupt nicht geeignet, das Vermögen einer Batterie zu charakterisieren, denn:

Der Begriff Kapazität existiert bereits für Kondensatoren, und hat die Dimension Farad. Für Batterien würden in Farad gemessene Kapazitäten keinen Sinn ergeben, da die Charakterisierung von Kondensatoren und Batterien völlig unterschiedlich ist. Für Batterien werden Kapazitäten in der Dimension Milli-Amperestunden [mAh] angegeben, was nichts anderes ist als die umskalierte Dimension Coulomb, welche die Ladungsmenge beschreibt. Konsequenterweise müsste man das Vermögen von Batterien also als Ladung oder Ladungsmenge bezeichnen.
Wie auch immer man eine Menge an Milli-Amperestunden [mAh] nennen mag: Diese Angabe eignet sich nicht, das Vermögen von Batterien quantitativ anzugeben, und erst recht nicht, um unterschiedliche Batterien mit unterschiedlichen [mAh] Angaben zu vergleichen. Die hier vorgestellten Tests zeigen, dass der Endverbraucher mit [mAh] Angaben gewaltig an der Nase herumgeführt werden kann. So schlimm wie bei PMPO Leistungsangaben ist es zwar nicht, allerdings werden die angegebenen [mAh] Werte in allen Fällen nur dann erreicht, wenn man realitätsfremde Nebenannahmen macht.
In der technischen Alltagswelt gibt es drei grundsätzliche Grössen, mit denen das Vermögen von technischen Geräten zutreffend beschrieben wird:
Leistung, Drehmoment und Energie. Als rein mechanische Grösse kommt Drehmoment für Batterien natürlich nicht in Frage. Aus praktischen Gründen (führt hier zu weit) ist auch Leistung nicht sehr geeignet, da sie sehr vom Einsatzzweck abhängt. Die Energie dagegen ist die ideale Kenngrösse, die das Vermögen von Batterien realistisch, praxisnah, und vor allem fast ohne Täuschungspotential beschreibt. Es sei hier schon vorweg genommen, dass gute Alkali Monobatterien (Grösse D) etwa 70 Kilojoule [kJ] beinhalten, das sind 70 Kilowattsekunden, oder dem allgemeinen Sprachgebrauch angepasst, ca. 0,02 Kilowattstunden [kWh], oder, um eine handhabbare Zahl zu nennen, ca. 20 Wattstunden.

Den Schwindel um Kapazitätsangaben erkennt man am besten, wenn man abgegebene Energie und abgegebene Ladungsmenge gegeneinander aufträgt. Das folgende Bild zeigt ein besonders deutliches Beispiel, erkennbar an dem Knick in der Kurve:

Nachdem insgesamt 12 Ah Ladung abgegeben worden sind, steigt die abgegebene Energie kaum noch an, die Ladungsmenge dagegen noch bis 17 Ah. Diese Batterie würde man mit einer Kapazität von 17 Ah bewerben, von denen 5 Ah vollkommen nutzlos sind.

Das folgende Bild dagegen zeigt ein etwas positiveres Beispiel, erkennbar daran, dass der Knick später erfolgt, bzw. kürzer ist.
Diese Batterie hat (bei gleichen Testbedingungen) ausserdem deutlich mehr Energieinhalt, und lediglich ca. 2,3 Ah sind nutzlos:

Alkalibatterie versus Zinkbatterie

Die Batteriegrössen D (Mono), C (Baby), AA (Mignon) und AAA (Micro) sind die gängigsten Grössen und werden in den Technologien Alkali und Zink angeboten.
Die praxisrelevanten Unterschiede sind schnell erklärt: Zinkbatterien in der Grösse Mono, D, wiegen ca. 95 Gramm gegenüber Alkalibatterien mit ca. 135 Gramm, und sind somit leichter. Zinkbatterien sind in der Anschaffung billiger. In allen anderen Punkten dagegen sind Alkalibatterien wesentlich besser. Folgende Tabelle fasst es zusammen. Der Gesamtvorteil liegt eindeutig auf Seite der Alkalibatterien.

Vorteile Zinkbatterie

Vorteile Alkalibatterie

Im Durchschnitt günstiger in der Anschaffung, aber:

Wenn man genug Auswahl hat / lange genug sucht, findet man immer Alkalibatterien, die genauso günstig, dafür sehr viel besser sind.

Ca. 30% Geringeres Gewicht.

Wesentlich mehr Energieinhalt, auch bezogen auf Preis und Gewicht
Deutlich leistungsfähiger (können mehr Energie pro Zeiteinheit abgeben)
Die Unterschiede zwischen den Marken, ebenso die Exemplarstreuungen, sind relativ gering.

Demgegenüber gibt es Zinkbatterien, die bereits neuwertig schon fast leer sind.

Laufen aufgrund von Dauerbelastung NICHT aus. Auslaufen und Korrosion treten erst nach vielen Jahren (eher selten) auf.

Vertragen um Jahre längere Lagerdauern. Können selbst mehrere Jahre nach dem MHD ohne grössere Einbussen betrieben werden.

Es gibt weder technische noch wirtschaftliche Gründe, Zinkbatterien zu verwenden. Selbst wenn man nur ausnahmsweise für kurze Zeit Batterien benötigt, sind Alkalibatterien besser, denn diese kann man ggfs. 5 bis 10 Jahre lagern, um sie dann wieder zu verwenden.
Zinkbatterien sind technologisch veraltet. Es gibt sie schon sehr viel länger als Alkalibatterien. Der Verfasser vermutet, dass die dennoch massenhafte Verbreitung von Zinkbatterien daran liegt, mit dem etwas geringeren Preis zu locken, zusammen mit dem Umstand, dass der Endverbraucher ohnehin kaum die Möglichkeit hat, die wahren Sachverhalte zu durchblicken.

Unterscheidung zwischen Alkalibatterien und Zinkbatterien

Visuell: Auf Alkalibatterien steht deutlich "Alkali", "Alkaline" oder etwas Ähnliches. Zinkbatterien dagegen werden mit aussagelosen Euphemismen wie "Heavy Duty", "Extra ...", "Super...", aber auch "General Purpose" benamt.
Gewicht: Zumindest die (relativ schweren) Monobatterien, Grösse D, kann man an ihrem Gewicht unterscheiden. D-Alkalibatterien wiegen mindestens 130 Gramm, und D-Zinkbatterien höchstens 100 Gramm. Das folgende Bild stellt die Gewichte aller getesteten Batteriemarken graphisch dar. Der Unterschied zwischen Zink und Alkali ist hochsignifikant (> 99,9999%, ermittelt mit einfaktorieller ANOVA)
Mechanisch:Alkalibatterien sind hart und fühlen sich an wie massives Metall oder Stein. Schlägt man sie an, dann klingen sie stumpf und ohne Resonanz. Zinkbatterien dagegen sind relativ weich. Klopft man z.B. mit dem Fingernagel auf eine Zinkbatterie, dann klingt es wie ein mit Flüssigkeit gefülltes, dünnwandiges Metallgefäss, oder wie eine elastische Masse, in die man Bleche hineingesteckt hat. Oft kann man die Aussenwand von Zinkbatterien mit blossen Fingern eindellen. Eine Ausnahme bilden hier Camelion Batterien. Bei diesen sind auch die Zinkvarianten äusserlich hart.

Es ist allerdings nicht möglich, Batteriemarken anhand ihres Gewichts zu unterscheiden. Dazu sind die markeninternen Unterschiede zwischen unterschiedlichen Chargen / Fertigungsjahren zu gross.

Technisches zu Batterien

Als Quellenspannung bezeichnen wir die Batteriespannung ohne angeschlossene Last, im erholten Zustand, also nachdem die Last entfernt wurde. Im Gegensatz zu Sekundärzellen, bei denen aus der Quellenspannung nicht auf den Ladezustand geschlossen werden kann, ist es bei Primärzellen mit einfachen Mitteln möglich, den Ladezustand anhand der Quellenspannung ungefähr zu bestimmen.

Die Quellenspannung im neuen, noch nicht belasteten Zustand, liegt in der Regel zwischen 1,57 und 1,65 Volt. Für "leere" Primärzellen werden unterschiedliche Quellenspannungen angegeben, z.B. 1,35 Volt. Erschwerend kommt hinzu, dass die Entscheidung, eine Primärzelle sei "leer", wesentlich von der Anwendung, bzw. dem Gerät abhängt, das die Zelle versorgen muss. Im einen Anwendungsfall kann 1,35V bereits "leer" bedeuten, während im anderen Anwendungsfall z.B. 1,30 Volt noch "ziemlich voll" bedeuten kann.

Der Anlass für das hier beschriebene Experiment war die Vermutung des Verfassers in einem bestimmten Anwendungsfall, dass eine Mono Primärzelle (D) bei einer Quellenspannung von 1,35 Volt offenbar noch zu mindestens 50% voll, und selbst bei 1,20 Volt noch längst nicht leer ist.

Testinhalt

Es wurden sowohl Zinkbatterien als auch Alkalibatterien mehrerer Hersteller getestet. Der Schwerpunkt liegt bei den Alkalibatterien, da diese eindeutig besser sind als Zinkbatterien.
Es wurden, bis auf wenige Ausnahmen, ausschliesslich Primärzellen der Grösse Mono, D, getestet.
Die Tests wurden weit über das natürliche Lebensende der Batterien hinaus betrieben. Es wird ihnen also auch diejenige Energie entnommen, die für keine praktische Anwendung mehr verwendbar wäre, mit einfachen Worten: Die Batterien werden nahezu restlos leergefahren. Die Motivation dafür ist, dass sich so das Täuschungspotential von Kapazitätsangaben (Milli-Amperestunden, [mAh]) gut untermauern lässt.
Es wurden

nagelneue Batterien,
weniger neue, aber vor dem Verfallsdatum befindliche, und
sehr alte Batterien, deren Verfallsdatum vor mehreren Jahren abgelaufen ist, getestet.

Letzteres ist der Grund, dass auch Batterien anderer Grössen getestet wurden, denn ungebrauchte und längst verfallene Batterien sind schwer zu beschaffen; man muss nehmen, was man auf dem Dachboden findet, oder von Bekannten angeboten bekommt. Das nächste Bild zeigt den Teststart der einzelnen Batterien jeweils in Bezug zu ihrem Mindesthaltbarkeitsdatum (MHD). Beispielsweise bedeutet der blaue Datenpunkt bei -12, dass das MHD bei dieser Batterie zum Zeitpunkt des Tests bereits vor 12 Jahren abgelaufen war. Entsprechend bedeuten die beiden (gestapelten) blauen Punkte bei + 10, dass von dieser Batteriemarke 2 Stück getstet wurden, und der Testbeginn 10 Jahre vor ihrem MHD lag.

Das Mindesthaltbarkeitsdatum hat keinen nennenswerten Einfluss auf den nutzbaren Energieinhalt, solange es nicht deutlich, also mehr als 5 Jahre überschritten ist. Batterietest

Testaufbau

Die Batterien werden kontinuierlich mit einem gleichbleibenden ohmschen Widerstand belastet.
Als Lastwiderstände kommen 100 Ohm und 10 Ohm zum Einsatz. Bei angenommenen 1,5V fliessen daher 1,5V / 100 Ohm = 15 mA bzw. 1,5V / 10 Ohm = 150 mA.

Die Entscheidung für die in beiden Fällen eher geringe Last (100 bzw. 10 Ohm) beruht auf mehreren Faktoren:

Die gewählten Lastwiderstände spiegeln reale Einsatzfälle wieder: 10 Ohm: Batterie hält im Dauerbetrieb ca. 4 Tage; 100 Ohm: Batterie hält im Dauerbetrieb ca. 7 Wochen.
Es stehen keine speziellen Testmittel zur Verfügung. Der Test wurde zuerst von Hand, später halbautomatisch durchgeführt.

Daher ist es vorteilhaft, wenn der Test etwas länger dauert und man nicht ständig dabeistehen muss. Bei den gewählten Lasten werden die Messreihen zeitlich so lang, dass das Messintervall getrost bei 8 bis 24 Stunden liegen kann, ohne dass die Messreichen dadurch lückenhaft werden. Ausserdem lässt sich das Ganze so leichter in einen Tagesablauf integrieren.

Durch die hohen Lastwiderstände werden die mit Hausmitteln messtechnisch kaum in den Griff zu bekommenden Kontakt- und Übergangswiderstände vernachlässigbar. Die ganze Testeinrichtung wird hochohmig, die Ströme daher niedrig, und der Test so mit elementaren Messmitteln (handelsübliche Multimeter) gut beherrschbar.
Die lange Testdauer soll gestatten, während des Tests ggfs. weitere Aspekte mit aufzunehmen.

Davon wurde, rückblickend betrachtet, reichlich Gebrauch gemacht.

Für den Test wurden eigens 24 Batteriefächer angeschaft. Jedes Batteriefach kann eine Monobatterie aufnehmen. Die beiden Kontakte der Batteriefächer werden mit dem Lastwiderstand (entweder 10 Ohm oder 100 Ohm) "kurzgeschlossen". Sobald man also eine Batterie in das Fach einlegt, "läuft" der Test.

Das Bild zeigt einen kleinen Ausschnitt des Tests. Insgesamt wurden bis zu 24 Batterien gleichzeitig betrieben. Die Batteriefächer wurden mit Klebepunkten gekennzeichnet, die mit den entsprechenden Messprotokollblättern farblich übereinstimmen. Dadurch lassen sich bis zu 4 Batterien inclusive Messblätter ohne Verwechslungsgefahr auf engem Raum unterbringen.

gegen das Automatisieren (z.B. mit einem Controller wie bei der Warmluftheizung) sprachen folgende Gründe:

erheblicher Planungs- und Realisierungsaufwand
unflexibel bei Teständerungen

Testablauf

Ständige Messgrössen sind:

Zellenspannung unter Last
Raumtemperatur
Datum / Uhrzeit

Ab und zu wurden zusätzlich folgende Messgrössen erfasst:

Widerstandswert des Lastwiderstands (zu Kontrollzwecken)
Erholte Zellenspannung

Ein einzelner Test besteht aus einer einzelnen Batterie, die für mehrere Tage oder Wochen in einem Batteriefach betrieben wird. Bei 10 Ohm Lastwiderstand wird meistens ungefähr alle 8 Stunden gemessen, und bei 100 Ohm meistens etwa einmal pro Tag. "Meistens" deshalb, weil es bestimmte Testphasen gibt, in der stündliches oder sogar minütliches Messen angeraten ist, nämlich weil sich dort in kurzer Zeit sehr viel tut:

Zu einem bestimmten Zeitpunkt, der das praktische Lebensende der Batterie einläutet, bricht die Batteriespannung in kurzer Zeit von z.B. 1,0 Volt auf z.B. 0,4 Volt ein. Wenn man diese Phase messtechnisch gut erfasst, dann kann man das praktisch nutzbare Vermögen der Batterie ziemlich genau berechnen.
Am Anfang eines Tests, oder bei Testwiederaufnahme nach längerer Unterbrechung, ändert sich die Lastspannung innerhalb kurzer Zeit wesentlich.

Die Batteriespannung kann unter sonst gleichen Nebenbedingungen stark von der Umgebungstemperatur abhängen.
Alle wesentlichen Phasen der Tests wurden bei 18 °C bis 19 °C Umbebungstemperatur durchgeführt. Alle wesentlichen Testergebnisse wurden im Zeitraum von Dezember 2016 bis April 2017 gewonnen.
Die tests gingen von Ende 2016 bis Ende 2018.

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Ende 2018