Andere Bezeichnungen Ni/Cd, NiCd-Akku, Nickelakkumulator, NC

Reihe „Wenn der Strom nicht aus der Steckdose kommt... – mobile Energiespeicher“
Stationenlernen Akkumulatoren
Station 2: Der Nickel/Cadmium-Akkumulator
2.1 Aufgabenstellung
1. Fertigen Sie ein ausführliches Versuchsprotokoll an! Stellen Sie die Vorgänge bei den Lade/
Entladezyklen dar und verwenden Sie die entsprechende Fachterminologie (Anode/Kathode
/ Plus-Pol/Minus-Pol / Oxidation/Reduktion)
2. Vergleichen Sie den Ni/Cd-Akku mit der Bleibatterie, der Brennstoffzelle und dem NiMHAkku: arbeiten Sie die Vor- und Nachteile der verschiedenen Systeme sorgfältig heraus!
2.2 Versuchsanleitung
Geräte
Becherglas 50 mL
Nickelnetz
Cadmiumblech
Spannungsquelle, Kabel, 2 Krokodilklemmen, Verbraucher (z.B. kleiner
Elektromotor), Universalmessgerät
Chemikalien
Kalilauge c = 5 mol·L-1
Durchführung
weitere Sicherheitshinweise
Entsorgung
C
R: 35
S: 26-36/37/39-45
1. Die Nickelelektrode wird an den Plus-Pol der Spannungsquelle, das
Cadmiumblech an den Minuspol angeschlossen. Es wird 2 min mit
U = 2 V elektrolysiert (Elektrolyt: Kalilauge).
2. Die Nickel- und die Cadmiumelektrode werden über das Universalmessgerät miteinander verbunden, die Spannung gemessen und die
Polung beobachtet.
3. Nach erneutem Elektrolysieren wird ein Verbraucher angeschlossen.
Die Cadmiumelektrode darf keinesfalls geschmirgelt werden, da Cadmiumstäube sehr giftig sind. Es besteht für alle Cadmiumverbindungen außer
Cadmiumsulfat in der Schule Verwendungsverbot. Da in diesem Versuch
jedoch keine gelösten Stoffe oder Stäube anfallen, sondern das entstehende Hydroxid fest auf der Elektrode haftet ist eine Durchführung als Lehrerversuch m.E. möglich.
Die Nickelnetzelektrode sollte nach Möglichkeit nicht mit der Haut in Berührung kommen, da Nickel ein Kontaktallergen ist.
Da eine Kontamination durch Schwermetall-Ionen nicht ausgeschlossen
werden kann wird die Kalilauge in das Abfallgefäß „schwermetallhaltige Lösungen“ gegeben.
Alternative: die Kalilauge wird zur Wiederverwendung in diesem Versuch
gekennzeichnet aufbewahrt.
2.3 Info
2.3.1 Nickel/Cadmium-System
(Andere Bezeichnungen Ni/Cd, NiCd-Akku, Nickelakkumulator, NC-Akku, nickel/cadmium-system)
Anwendung
Gasdichte Nickel-Cadmium-Batterien werden häufig in Kleingeräten verwendet. Es gibt sie in verschiedenen Bauformen (Knopfzellen, Rundellen, prismatische Batteriepacks). Die Nennspannung
einer einzelnen Zelle beträgt 1,3 V.
Daneben gibt es prismatische Batterien in offener Bauweise, die wegen ihrer hohen Leistung und
Kapazität vorwiegend in Notstromaggregaten und als Starterbatterie in der Luftfahrt eingesetzt
werden.
Ni/Cd-Batterien werden mit Kapazitäten von 10 mAh (Knopfzelle) bis >300 Ah (offene Bauweise)
gefertigt.
Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen
(Die Gleichungen beziehen sich auf den Ladevorgang, der Entladevorgang entspricht der Rückreaktion)
Laden
Negative Elektrode
Positive Elektrode
Summe
Cd(OH)2 + 2e2 Ni(OH)2 + 2 OHCd(OH)2 + 2 Ni(OH)2



Cd + 2 OH2 NiOOH + 2 H2O + 2 eCd + 2 NiOOH + 2 H2O
Als Elektrolyt wird Kalilauge mit einer Dichte von 1,19 – 1,30 g/cm3 (entspricht ca. 20-30 Gew. %)
verwandt. Höhere Konzentrationen bewirken eine größere Entladekapazität bei verringerter Lebensdauer.
Gegen Ladeschluss überschreitet die Zelle die Gasungsspannung von 1,55 bis 1,6 V/Zelle und es
beginnt bei offenen Zellen eine Überladereaktion bei der aus dem in der Elektrolytlösung enthaltenen Wasser, Wasserstoff- und Sauerstoffgas erzeugt wird, der entweicht:
Überladung
Negative Elektrode
Positive Elektrode
Gesamtreaktion
4 H2O + 4e4 OH2H2O



2 H2 + 4 OH2 H2O + O2 + 4e2 H2 + O2
(H2-Entwicklung)
(O2-Entwicklung)
(Knallgas)
Bei offenen Zellen muss der Verlust an Wasser von Zeit zu Zeit durch Nachfüllen von destilliertem
Wasser ausgeglichen werden.
Zur Vermeidung der Gasentwicklung sind gasdichte Zellen sind mit einer überdimensionierten negativen Elektrode ausgestattet, die eine Ladereserve aus Cadmiumhydroxid enthält. Wird nach
vollständigem Laden der Zelle weitergeladen, so wird dieses zu Cadmium reduziert, es entsteht
kein Wasserstoff. Der am Plus-Pol entstehende Sauerstoff diffundiert zur Cadmium-Elektrode und
oxidiert dieses.
Weiterentwickelte gasdichte Faserstruktur-Ni/Cd-Zellen enthalten spezielle FaserstrukturRekombinations-elektroden. Der entwickelte Sauerstoff gelangt über den Gasraum zur Rekombinationselektrode und wird an der katalytischen Oberfläche so schnell rekombiniert, dass sich im Betrieb ein leichter Unterdruck einstellt. Schnellladung ist möglich.
Technische Daten
Ni/Cd-System
Elektrolytlösung KOH
Leitfähigkeit (20 °C)
Gefrierpunkt
Leerlaufspannung
Spannung unter Nennlast
Betriebstemperatur
spez. Energie
(theoretisch 210 Wh/kg)
Energiedichte
Lebensdauer
(bei mittlerer Temperatur)
Schockbelastbarkeit
Energiewirkungsgrad
offen
Dichte 1,17 – 1,19 g/cm3
0,5 S/cm
gasdicht
Dichte 1,24 – 1,3 g/cm3
0,63 S/cm
- 46°C
1,35 V
1,28 – 1,35 V
1,2 V
1,2 V
- 20 bis + 50°C, (60°C)
- 20 bis 45°C
empfohlen: +10 - 45°C
40 Wh/kg, 25 bis 35 Wh/kg mit
25 Wh/kg
Faserstrukturelektroden
35 bis 100 Wh/l
Bis 15 Jahre; 1500 - 4000 Zyklen ca. 4 Jahre; 1000 – 2000 Zyklen
(je nach Elektrodentyp)
(abhängig von der Nutzung)
gut
sehr gut
70-80 %
60 bis 70%
Besonderheiten
Die Viskosität der Elektrolytlösung fällt stark mit der Temperatur ab. Bei tiefen Temperaturen und
großen Lade/Entladeströmen können durch verminderte Diffusion Dichteunterschiede eintreten,
die Potentialabfall und lokales Einfrieren bewirken.
Memory-Effekt: Ni/Cd-Zellen können u.a. durch wiederholte Teilentladung eine 2. Entladestufe
entwickeln, die um 120 mV tiefer liegt. Es scheint, dass sich die Zelle daran erinnert vorher nur
eine Teilkapazität abgegeben zu haben. Ursache ist die Kornvergröberung des Cadmiums und Bildung einer intermetallischen Phase der Zusammensetzung Ni5Cd21. Zur Beseitigung des MemoryEffektes muss die Zelle zunächst tiefentladen und anschließend mit Nennstrom und doppelter Ladezeit aufgeladen werden. Dadurch werden die aktiven Massen wieder vollständig aufgeladen.
Selbstentladung: Abhängig von Bauart und Temperatur. Bei – 20 °C ca. 1% pro Monat. Bei Raumtemperatur ca. 15% Kapazitätsverlust /Monat, bei 45°C ca. 80% in den ersten drei Monaten, danach ca. 3% / Monat.
Bauarten: Vielfältige, dem jeweiligen Verwendungszweck angepasste Bauweisen. Neben den offenzelligen Batterien mit flüssiger Kalilauge werden gasdichte Zellen mit Überladeschutz hergestellt. Diese Batterien sind lageunabhängig und werden mit einer max. Spannung von 1,55 V geladen. Geschlossene Batterien sind wartungsfrei, da beim Laden kein Wasserverlust auftritt. Neuere Batterien enthalten Sinter- oder Faserstrukturelektroden. Letztere können in einer Stunde geladen werden.
Vorteile des Systems: Zuverlässig, langlebig, robust, tiefentladefähig, lange Standzeit im entladenen Zustand, auch bei tiefen Temperaturen entladefähig, Schnellladung bei bestimmten Bauarten möglich.
Nachteile des Systems: Die Cadmiumbelastung der Umwelt in den Industriestaaten stammt
weitgehend aus der Deponierung verbrauchter NiCd-Akkus. Das giftige Cadmium bildet lösliche
Verbindungen und gelangt so ins Grundwasser. Trotz der Einführung der Batterieverordnung
(BattV) im Jahr 1998 mit einer Rückgabepflicht der Verbraucher und einer Rücknahmepflicht der
Hersteller ist die Rücklaufquote bei den kleineren Haushaltsbatterien schlecht. Die Europäische
Union erwägt daher gegenwärtig die Produktion von NiCd-Akkus ab 2008 zu verbieten.
verwendete Literatur: Batterie-Glossar des Fraunhofer ICT
http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/nikohcd.html (05.09.2005)
M. Tausch/M. von Wachtendonk, Chemie 2000+ Band 2 (Buchner-Verlag, Bamberg 2004) S. 50.