Energiedichte Akku berechnen: Wh/kg und Wh/l aus V und Ah

Du teilst die Nennenergie durch die Masse für Wh/kg und durch das Volumen für Wh/l. Die Nennenergie ist Nennspannung mal Kapazität in Amperestunden. Beispiel 18650-Zelle: 3,6 V mal 3 Ah ergeben 10,8 Wh. Bei 47 g (0,047 kg) sind das 230 Wh/kg.

Die Zelle misst 18 mm im Durchmesser und 65 mm in der Länge, ihr Volumen beträgt also 16,54 ml, und daraus folgen 653 Wh/l. Wichtig ist, dass Masse und Volumen zum selben Bauteil gehören, also beide zur Zelle oder beide zum fertigen Pack.

Stehen auf dem Datenblatt nur mAh, hilft die Zahl allein nicht weiter, denn erst die Spannung macht daraus eine Energie.

Trage im Rechner Spannung, Kapazität, Masse und Außenmaße ein, dann erscheinen beide Dichten sofort und werden gegen die gewählte Zellchemie eingeordnet. Rundest du früh, weichen die Zahlen ab; der Rechner rundet erst bei der Anzeige.

Für Packs funktioniert dieselbe Rechnung, nur mit Volt und Amperestunden des Gesamtpacks.

Das hängt vom Zellformat ab.

Die Energiespeicher-Roadmap des Fraunhofer ISI nannte 2017 für Zellen mit NMC- oder NCA-Kathode: Rundzellen vom Typ 18650 mit 240 bis 270 Wh/kg und 650 bis 750 Wh/l, Pouchzellen mit 150 bis 180 Wh/kg und 250 bis 450 Wh/l, prismatische Zellen mit 120 bis 140 Wh/kg und 230 bis 350 Wh/l.

Für die Zukunft hielt das Institut bis zu 300 Wh/kg bei der 18650 und bis zu 350 Wh/kg bei der größeren 21700 für möglich. Neuere Zellen liegen teils darüber, die Spannen sind also eine Orientierung.

Die Beispielzelle des Rechners mit 230 Wh/kg liegt 10 Wh/kg unter der Rundzellen-Spanne. Prüfe deshalb zuerst Masse und Einheit, dann das Datenblatt, und vergleiche eine Zelle nie mit der Spanne eines fertigen Packs.

Die Zahlen gelten für Zellen mit Nickel-Mangan-Cobalt- oder Nickel-Cobalt-Aluminium-Kathode; Zellen anderer Chemie wie Lithium-Eisenphosphat fehlen in der Quelle.

Das hängt davon ab, was bei deinem Vorhaben knapp ist. Wh/kg zählt, wenn du den Akku trägst, fährst oder fliegst und jedes Kilogramm Reichweite kostet.

Wh/l zählt, wenn der Einbauraum feststeht, etwa in einer Rahmentasche, einem Gerätegehäuse oder einem Fahrzeugboden.

Die Beispielzelle zeigt, dass beide Werte nicht gleich gut ausfallen müssen: Sie erreicht 230 Wh/kg, liegt damit unter der Rundzellen-Spanne von 240 bis 270, aber mit 653 Wh/l innerhalb der Spanne von 650 bis 750.

Das Lastenrad-Pack im Praxisbeispiel schafft 166 Wh/kg und 427 Wh/l. Lege vor dem Vergleich fest, ob Gewicht oder Platz dein Engpass ist, und lies dann nur diese Zeile.

Fehlt dir das Volumen, wähle „Ohne Volumenangabe“, dann rechnet der Rechner nur Wh/kg. Wer beides braucht, etwa für ein E-Bike mit begrenztem Rahmenraum, liest beide Zeilen und nimmt die schwächere als Maßstab.

Der Rechner zeigt zusätzlich, wie weit jeder Wert von der gewählten Spanne entfernt liegt, in Wh/kg und Wh/l getrennt.

Weil im Pack alles mitwiegt, was keine Energie speichert: Zellhalter, Verbinder, Batteriemanagement, Kühlung und Gehäuse. Im Praxisbeispiel wiegen 40 Zellen zusammen 1,88 kg und erreichen 230 Wh/kg.

Das fertige Pack wiegt 2,6 kg, speichert dieselben 432 Wh und kommt nur auf 166 Wh/kg. Die 0,72 kg Zusatzmasse sind 28 Prozent des Packs. Beim Fahrzeug-Pack mit 60 kWh und 450 kg sind es 133 Wh/kg.

Die Abschläge unterscheiden sich je nach Bauart stark, einen festen Prozentsatz gibt es nicht. Trage deshalb für ein Pack immer die Masse des fertigen Bauteils ein, nicht die Summe der Zellmassen.

Zum Vergleich der Zellen untereinander nimmst du dagegen die Zellmasse. Ein Packwert gegen eine Zellspanne gestellt wirkt schlechter, als die Zellen sind.

Erst wenn du Zellen und Pack nacheinander durch den Rechner schickst, siehst du den Abschlag in Zahlen und kannst abschätzen, ob ein leichteres Gehäuse die Mühe lohnt.

Die Masse je Kilowattstunde ist 1.000 geteilt durch die Energiedichte in Wh/kg. Bei 230 Wh/kg sind es 4,35 kg je kWh, bei 166 Wh/kg 6,02 kg und bei 133 Wh/kg genau 7,5 kg.

Daraus lässt sich die Zusatzlast planen: Wer in ein Fahrzeug mit diesem 133-Wh/kg-Pack zehn Kilowattstunden mehr einbaut, schleppt rund 75 kg zusätzlich mit. Der Rechner gibt diesen Wert als eigene Kennzahl aus, damit du nicht umrechnen musst.

Er rechnet mit der Masse, die du eingibst, also bei einem Pack mit Gehäuse und Elektronik.

Für die Planung eines Einbaus ist diese Kennzahl oft nützlicher als Wh/kg, weil sie direkt zeigt, wie viel Gewicht eine Reserve von einer Kilowattstunde kostet. Prüfe zusätzlich den Platz mit der volumetrischen Dichte.

Umgekehrt gilt: Wer ein Gewichtsbudget von 3 kg hat und 6,02 kg je Kilowattstunde ansetzt, bekommt knapp 0,5 kWh unter. Rechne Reserven also mit der Packmasse und nicht mit der Zellmasse.

Nach den Standardwerten der EBeV 2030 hat Dieselkraftstoff einen Heizwert von 42,8 MJ/kg und eine Dichte von 0,845 kg/l. Mit 3,6 MJ je Kilowattstunde sind das 11.889 Wh/kg und 10.046 Wh/l.

Ein Kilogramm Diesel entspricht damit bei 230 Wh/kg rund 51,7 kg Akku, bei 133 Wh/kg rund 89,2 kg.

Das ist der Energieinhalt, nicht die Fahrleistung: Ein Elektroantrieb setzt die gespeicherte Energie wesentlich besser in Bewegung um als ein Verbrennungsmotor, deshalb folgt aus 52 zu 1 keine 52-fache Reichweite je Kilogramm.

Der Dieselvergleich im Rechner zeigt, wie weit Akkus beim reinen Speichern noch zurückliegen. Für eine Betrachtung der Kosten und Emissionen rechnest du mit dem Vergleich von Elektroauto und Verbrenner weiter.

Der Rechner zeigt auch das Volumen: Bei 653 Wh/l brauchst du 15,4 Liter Akku für den Energieinhalt eines Liters Diesel. Beides gilt nur für den Energieinhalt im Speicher; Tank, Motor und Getriebe sind nicht eingerechnet.

Die Fraunhofer-ISI-Roadmap nannte 2017 für Natrium-Ionen-Zellen 100 bis 120 Wh/kg, etwa die Hälfte der damaligen Lithium-Ionen-Werte. Eine Wh/l-Spanne enthält die Quelle nicht, deshalb nennt der Rechner dafür keine Einordnung.

Eine Studie der Fraunhofer-Einrichtung FFB und der Universität Münster von 2025 bestätigt den Abstand zu Lithium-Eisenphosphat: Natrium-Ionen-Zellen liegen volumetrisch 17 bis 49 Prozent darunter.

Für Lithium-Eisenphosphat selbst fehlt dem Rechner eine belegte Spanne, daher gibt es diese Chemie nicht zur Auswahl. Wenn du eine Natrium-Ionen-Zelle prüfst, trage ihre Datenblattwerte ein und wähle die Vergleichschemie Natrium-Ionen.

Eine Beispielzelle mit 6 Wh und 50 g liegt bei 120 Wh/kg, also am oberen Rand der Spanne. Die Werte entwickeln sich schnell, prüfe aktuelle Datenblätter. Aktuelle Zellen können deutlich anders liegen als die Zahlen von 2017.

Der Rechner verwendet die Spanne deshalb nur als grobe Orientierung und nicht als Kaufkriterium.

Für die Energiedichte der Zelle zählt die Nennenergie aus Nennspannung mal Nennkapazität. Bei Fahrzeug-Packs nennen Datenblätter oft eine Bruttoenergie und eine geringere nutzbare Energie, weil ein Teil der Kapazität als Reserve gesperrt bleibt.

Welche Zahl du einsetzt, verändert das Ergebnis: Gäbe der Hersteller für das 450-kg-Pack nur 55 statt 60 kWh nutzbar an, wären es 122 statt 133 Wh/kg. Das ist legitim, solange du beim Vergleich dieselbe Definition nimmst.

Mische nie Brutto- und Nettowerte zweier Hersteller. Die tatsächlich entnehmbare Energie hängt zusätzlich von Entladestrom, Temperatur und Alter ab; der Rechner bildet das nicht ab.

Wähle im Rechner den Modus „Energie direkt“, wenn nur die kWh-Angabe vorliegt, und notiere, ob sie brutto oder nutzbar ist. Notiere dir beim Vergleich zweier Akkus die Definition neben jedem Wert, damit die Gegenüberstellung nachvollziehbar bleibt.

Im Beispiel beträgt der Unterschied 11 Wh/kg.