Grosses Einmaleins Akkus

NiCd- und NiMH-Akkumulatoren
1. Allgemeine Eigenschaften der NiCd-Akkus
Wohl einer der Hauptvorteile von NiCd- Systemen sind vorallem lange Lagerfähigkeit im entladenen
Zustand, sowie die Tiefentladefähigkeit.
Man muss dies aber einschränken, denn schaltet man mehrere NiCd-Zellen hintereinander, dann
besteht die Gefahr, dass sich nach einer Tiefentladung eine einzelne Zelle umpolt, dazu später mehr.
Natürlich ist auch die grössere mechanische Stabilität und das gute Verhältnis von Masse (Gewicht)
zu Kapazität zu erwähnen.
Nickel und Cadmium
Cadmium besitzt das Formelzeichen Cd und geheort wie Blei zu den Schwermetallen, daher sind alle
Cd-Verbindungen sehr giftig.
Nickel besitzt das Formelzeichen Ni und gehört ebenfalls zu den Schwermetallen.
Praktisch verwendbare NiCd-Systeme gibt es erst seit der Jahrhundertwende. Nachdem sich Thomas
A. Edison in seinen Forschungen auf Nickel / Eisen- Systeme konzentrierte, schuf Waldemar Jungner
1899 den ersten später in Serie gefertigten NiCd-Akku. Gasdichte NiCd- Zellen konnten erst nach
1933 hergestellt werden, nachdem A.Sassler mit seinen Forschungen die Grundlage dafür gelegt hat.
Seinerzeit war auch schon das Prinzip der Sinterelektroden bekannt. Der nächste Technologiesprung
Mitte der 80'iger Jahre brachte dann die Metallschaumelektrode und einige weitere Verbesserungen.
Damit war es gelungen, in den Abmessungen einer Mignonzelle eine Kapazität von über 1 Ah
unterzubringen.
2. Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle.
In einer NiCd-Zelle besteht die positive Elektrode aus Nickelhydroxid (NiO2H), in der Regel mit einem
Graphitzusatz um die Leitfähigkeit zu verbessern. Bei gasdichten NC-Zellen ist es heute allgemein
üblich, einen Anteil sogenannter antipolarer Masse als Umpolschutz, meist Cadmiumhydroxid ( Cd
(OH)2) hinzu- zufügen. Die positive Nickel-Elektrode lässt sich nämlich viel schlechter Laden als die
negative Cadmium-Elektrode. Der Zusatz von Cadmiumhydroxid bildet eine Ladereserve, welcher die
Wasserzersetzung und somit die Bindung von Wasserstoffgas verhindert. Die Chemische
Umwandlung des Wasserstoffs durch Oxidation an der positiven Elektrode verläuft so langsam, das er
für Rekombinationszwecke in der Zelle nicht brauchbar ist. Dieser Wasserstoffüberschuss, der zu
einem Druckanstieg in der Zelle führen würde, nimmt die Ladereserve auf und sorgt gleichzeitig für
einen gewissen Umpolschutz. Die negative Elektrode besteht aus pulverisierten
Cadmiumverbindungen. Auch hier befinden sich zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit
eingelagerte Graphitpartikel, auch hier gibt es analog zu positiven Elektrode eine Entlade - und
Ladereserve, welche dadurch realisiert wird, dass mehr Elektrodenmasse als eigentlich erforderlich
verwendet wird. Bei Überladung wird dann der gesamte Ladestrom zur Suerstoffreduktion an der
negativen Elektrode verwendet ohne dass es zu einem unzuläsisgen Druckanstieg kommt. Trotz all
dieser Massnahmen hat natürlich die Umpolfestigkeit auch ihre Grenzen.
In Grosserienfertigung werden die Elektrodenmaterialien in die gewünschte Form gepresst und dann
zur mechanischen Stabilisierung mit einem feinmaschigen Nickeldraht umgeben. Dieses leitfähiges
Nickelnetz dient auch zur gleichmässigen Ladungsverteilung.
3. Welches Elektrolyt verwendet man für NiCd-Zellen ?
In NC-Elementen dient Kalilauge (KOH) als Elektrolyt, üblicherweise mit einer Dichte von 1,27 kg/l.
Sie kann aber auch leicht variieren. Bei höheren Laugenkonzentrationen ist zwar mit höherer
Kapazität zu rechnen, jedoch geht dies sehr zu Lasten der Lebensdauer einer Zelle. Übrigens bleibt
die Elektrolyt-Dichte einer NiCd-Zelle während der Ladung und Entladung ziemlich konstant, da sich
die Reaktionen an der negativen und an der positiven Elektrode nahezu kompensieren.
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4. Warum sind neue NiCd-Akkus immer leer ?
Grundsätzlich fliesst bei jedem Akku ein Entladestrom, auch wenn dieser nicht belastet wird.
(=Selbstentladung) Akkus mit Sinterelektroden besitzen eine deutlich höhere Selbstentladung. Man
muss die erste Ladung (=Formatierungsladung) sehr gewissenhaft durchführen, um eine höhere
Lebensdauer zu erreichen. Der Grund ist, dass bei der ersten Ladung, sich die elektrisch aktiven
Schichten an den Elektroden ausbilden. Würde man den Akku geladen ausliefern, so würde bereits
vor der Formatierung eine gewisse Selbstantladung stattfinden. Die volle Kapazität erreichen NCAkkus erst nach 6 Lade -Entladezyklen.
5. Wichtige Grössen und spezielle Eigenschaften von NC-Akkus
5.1 Wann und wieso bilden sich im Akku Gase ?
Bei Erreichen des Ladeendzustandes werden die wässrigen Anteile des Elektrolyts zersetzt; es
entstehen (an der positiven Platte) Sauerstoff und Wasserstoff (an der negativen Platte), die
normalerweise von der Gegenelektrode absorbiert werden. Beim Überladen bewirkt diese KnallgasErzeugung (Gasung) einen Druck- anstieg in der Zelle, der bis zur Explosion führen kann. Daher sind
alle Akkus (auch die dichten Zellen) mit einem Sicherheitsventil versehen, das bei hohen Innendruck
anspricht.
5.2 Was bedeutet Lade-Entladeschlusspannung ?
Die Ladeschlusspannung ist die Klemmspannung bei voll aufgeladenem Akku mit angeschlossenem
Ladegerät.
Sie beträgt bei NC-Zellen ca. 1.50 V.
Die Entladeschlusspannung ist der Wert der Klemmspannung die der Akku gerade noch erreichen
darf, ehe er tiefententladen wird. Eine Tiefentladung des Akkus bedeutet immer eine Verkürzung der
Lebensdauer.
Entladeschlusspannung beträgt bei NC-Zellen ca. 0.85 V.
Ein leer werdender Akku muss also rechtzeitig nachgeladen werden. Dabei ist darauf zu achten, dass
die Nennkapazität niemals zu 100% entnommen wird, da hier Schäden auftreten. Obwohl NiCd-Zellen
recht unempfinlich gegen gelegentliche Tiefentladungen sind, sollte die Entladeschlusspannung nie
unterschritten werden. Sonst können nämlich im Zellenverbund (bei Akku-Packs) einzelne Zellen
bereits leer sein, während die Nachbarn noch etwas Ladung haben. Diese Nachbar-Zellen haben aber
für die entladene Zelle die falsche Polarität, so dass hier zu einem Umpoleffekt kommen kann, der zur
Zerstörung der leergepumpten Zelle führen kann.
5.3 Wie hoch ist die Leerlauf und die Klemmspannung einer NC-Zelle?
Die Leerlaufspannung einer NC-Zelle beträgt ca. 1,3 V.
Die Klemmspanng ist die bei angeschlossener Last an den Klemmen liegende Spannung.
5.4 Was bedeutet Selbstentladung und wovon hängt sie ab?
Auch ohne Belastung geht mit der Zeit ein Teil der im Akku gespeicherten elektrischen Energie
verloren. Mit steigender Temperatur nimmt dieser Effekt stark zu. Die Ursache dafür ist im schnellen
Zerfall des hochaufgeladenen Nickelhydroxides auf der positiven Elektrode zu suchen. Dabei wird
Sauerstoff abgespalten, der eine äquivalente Reduktion auf der negativen Elektrode bewirkt. Zudem
haben die inneren Selbstentladeströme durch vagabundierende Ionen eine nicht unbedeutende
Wirkung. Selbstverständlich kann durch die Bauform die Selbstentladung beeinflusst (aber nicht
vermieden) werden.
Faustregel:
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Eine Verringerung der (Lager)-Temperatur um 10 grad, halbiert die Grösse der Selbstenladung und
verdoppelt somit die mögliche Lagerfähigkeit.
Bei tiefen Temperaturen ist die Selbstentladung vernachlässigbar.
5.5 Welche Rolle spielt die Temperatur im Akku ?
Viele Eigenschaften von Akkus ändern sich mit schwankender Temperatur.
Chemische Reaktionen laufen bekanntlich bei höheren Temperaturen wesentlich schneller ab. Das gilt
auch für die Selbstentladung, die bei sehr langsamer Entladung natürlich auch die verfügbare
Kapazität einschränkt.
Überhitzung schadet dem Akku, aber eine Grunderwärmung beim Ladevorgang ist normal. Aufgrund
der chemischen Reaktionen erwärmt sich der Akku, in Schnelladegeräten kann die Temperatur schon
mal leicht bis zu 30 Grad Celsius gehen. Beim Ladevorgang sollte man höhere
Umgebungstemperaturen vermeiden. Also den Akku lieber im kühlen Keller laden und nicht in der
prallen Sonne.
Aber auch Kälte beeinflusst die Eigenschaften des Akkus. Kälte bremst die chemischen Vorgänge im
Akku, da der Ionenstrom im Elektrolyt langsamer abläuft. Dies bewirkt wiederum eine Zunahme des
Innenewiderstandes und eine kleinere verfügbare Klemmspannung.
5.6 Was hat es mit dem Memory-Effekt auf sich ?
Hierbei tritt eine Kapazitätsminderung auf, wenn der Akku oft teilentladen wird und dann (fachgerecht)
aufgeladen wird. Man erklärt sich den Vorgang durch eine Kristallvergrösserung des Nickelhydroxids
und des Cadmiums an den Elektroden und den damit verbundenen Oberflächenschwund. Dies kann
bis zu einen kristallinen Kurzschluss führen. Durch gezieltes Tiefentladen und dann wider
fachgerechtes Aufladen kann der Akku einigermassen wieder "fit" gemacht werden.
5.7 Wovon ist die Kapazität abhängig ?
Die Kapazität einer Zelle hängt natürlich im wesentlichen von der Zellengröße ab. Hier ein paar
Richtwerte für einige typische Bauformen:
Bauform Bez. nach IEC Höhe Durchmesser Kapazität
Lady (N) KR12/30 30,0 mm 12,0 mm 150 mAh
Micro (AAA) KR11/45 44,5 mm 10,5 mm 200 bis 250 mAh
Mignon (AA) KR15/51 50,5 mm 14,5 mm 600 bis 1000 mAh
Baby (C) KR26/50 50,0 mm 25,8 mm 2000 bis 2800 mAh
Mono (D) KR33/62 61,5 mm 33,0 mm 4000 bis 5000 mAh
Dies sind allerdings nur Richtwerte. Die real verfügbare Kapazität ist nämlich auch noch von vielen
anderen Parametern abhänig, z.B Temperatur und Entladestrom.
Bei kleinen Zellen (300mAh) sind bei 300 mA Entladestrom ca. 60% der Nennkapazität verfügbar, bei
Zellen mit 1,5Ah sind bei 1,5 A Entladestrom noch ca. 95% verfügbar.
5.8. Wie sollte man NiCa-Akkus lagern?
Nicht im Verbraucher belassen, besonders wenn sich im Gerät mehrere Zellen befinden (Gefahr der
"Umpolung", siehe Kap. 1)!
Ansonsten: Kühl (Wohnraumtemperatur) und trocken. Bei sehr langer Lagerung ist ein Aufbewahren
in einem Kunststoff-Behälter mit eingelegtem Silika-Gel-Tütchen (gegen Feuchtigkeit) anzuraten.
Daurch kann man verhindern, dass die Kontaktflächen allzu schnell korrodieren.
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5.9. Was ist beim Zusammenschalten mehrerer Zellen zu beachten ?
Normalerweise werden mehrere Einzelzellen zu einem Akkupack zusammengeschaltet. Ähnlich wie
bei einer Kette, bestimmt das schwächste Glied, hier die schwächste Zelle, die Leistungsfähigkeit der
gesamten Einheit. Fertigungstoleranzen bei der Herstellung und unterschiedliche
Selbstentladungsraten führen zu unterschiedlichen Restkapazitäten der zusammengeschalteten
Einzelzellen. Diese gilt es, im Interesse eines leistungsfähigen Gesamtsystems, auszugleichen. In der
täglichen Praxis gibt es zwei Wege das Problem der unterschiedlichen Zell-Restkapazitäten zu lösen.
Damit ein Restkapazitätsausgleich zwischen den Zellen eines Akku-Packs überhaupt sinnvoll
durchgeführt werden kann, ist es notwendig, bereits beim Aufbau eines Akku-Packs einige
grundlegende Regeln zu beachten:
Nur gleiche Zellen eines Herstellers, die möglichst aus einer Produktionscharge stammen, dürfen zu
einem Akku zusammengeschaltet werden.
Niemals Zellen, die ein unterschiedliches Vorleben, ein unterschiedliches Alter oder unterschiedliche
Ladezustände haben miteinander zu einem Akku-Pack mischen.
Bereits beim Kauf von akkubetriebenen Geräten sollte auf einen Tiefentladeschutz und auf eine
gleichmäßige Wärmebelastung (z.B. bei Leuchten) des eingesetzten Akkupacks geachtet werden.
6.0 Durch welche Massnahmen kann man die Eigenschaften einer
NiCd-Zelle verbessern ?
Etwas aufwendiger und teurer sind NiCd-Akkus mit Sinterfolien-Elektroden. Hierbei dient ein
vernickeltes Stahlgewebe als Träger, auf welches das Elektrodenmaterial, also NiOOH = positive
Elektrode u. Cd = negative Elektrode, staubförmig aufgebracht wird. Unter sehr hohen Temperaturen
und Drücken sintern dann diese Stoffe zusammen und ergeben rauhe Oberflächen. Durch die nun
sehr grosse aktive Oberfläche, ergeben sich folgende Eigenschaften: sehr geringen Innenwiderstand
hohe Entladeströme und eine gute Überladefestigkeit, da ja durch die grosse Oberfläche die Gase (O
und H) bei Überladung sich besser an den Elektroden binden können. Desweiteren besitzen solche
Akkus bis zu 20 % mehr Kapazität. Weniger verbreitet sind Akkus mit Metallschaumelektroden.Ein
selbsttragender Metallschaum oder Metallschwamm kann zu einem Wickel geformt, vollautomatisch
zu Elektroden, verarbeitet werden.
7.0. Welche Aufgabe hat der Separator in einem NC-Akku ?
Damit die Elektroden immer einen optimalen Abstand haben, muss man sie stets mechansich fixieren.
Diese Aufgabe übernimmt der Separator (er wird oft auch als Scheider bezeichnet). Er beeinflusst die
Zelle sehr wesentlich. Der Separator muss einerseits die Elektroden sicher voneinander trennen, und
andererseits flexibel sein und das über einen grossen Temperaturbereich. Er darf für den Ionenfluss
nur ein sehr minimaler Widerstand sein, soll aber gleichzeitig hochisolierend sein. Zudem darf der
Separator nicht durch Säure oder Lauge angegriffen werden. Als Materialien eignen sich Folien wie
Vliese, Polyamid oder Polypropylen. Diese werden noch einer speziellen Oberflächenbehandlung
unterzogen.
8.0 Einige technische Daten
praktische Energiedichte : 25-30 Wh/kg
max. Zellenspannung im stromlosen Zustand: 1,35 V
Nennspannung: 1,2 V
Zahl der Ladezyklen: 1000 bis 3000
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Innenwiderstand : 5m Ohm
Ladewirkungsgrad : ca. 83 % - 72 %
Ladewirkungsgrad = (entnommene Kapazität) / (zugegebene Kapazität)
Endladeschlusspannung : 0.85 V
Die generelle obere Temperaturgrenze von NiCd-Zellen liegt bei etwa 65 Grad. Dauertemperaturen ab
etwa 45 Grad erfordern bereits einen speziellen Zellenaufbau.
Unterhalb -10 Grad hat die Zellenspannung einen negativen Temp-Koeffizienten. Der Abfall beträgt
etwa : 3mV/Grad.
9.0 Welche Ladeverfahren gibt es ?
14 Stunden Normalladung mit Konstantstrom: (Laden ca. 1/10 des Nennstromes)
Die Ladedauer ist lang, teilentladene Akkus werden überladen und verlieren ihre Speicherkapazität
(Memoryeffekt), tiefentladene Akkus werden nicht regeneriert.
Definiertes Entladen und anschliessende 14 Stunden Normalladung:
Die Überladung und der Memoryeffekt werden verhindert. Die Regeneration schwacher Akkus ist
mässig.
Entladen und anschliessende zeitgesteuerte Schnelladung:
Die Vorteile sind kurze Ladezeiten und bessere Regeneration. Wegen des unterschiedlichen
Wirkungsgrades verschiedener Akkutypen wird der Akku jedoch meist über- oder unterladen.
Schnelladefähige, also teure Akkutypen sind notwendig.
Entladen und anschliessende Schnelladung mit Spannungsüberwachung:
Von der Zellenspannung kann nur bedingt auf den Ladezustand geschlossen werden. Zudem ist die
Spannung des vollen Akkus von Typ zu Typ unterschiedlich. Deshalb sind die Akkus oft teils überoder unterladen.
Entladen und Schnelladung mit Temperaturüberwachung:
Der Temperaturanstieg wärend der Ladung ist ein gutes Mass für den Ladezustand. Der Kontakt von
Fühler und Akku ist oft problematisch.
Entladen und Schnelladung mit Delta - Peak - Abschaltung:
Da die Zellenspannung des Akkus aufgrund des Temperaturanstieges sinkt, ist dies ein sehr gutes
Abschaltkriterium. Die Elektronik macht Fertiggeräte teuer, und wegen der erforderlich hohen
Ladeströme dürfen keine Normalakkus benutzt werden.
Entladen und Laden nach dem Reflexprinzip:
Das derzeit modernste Ladeverfahren erlaubt eine Schnellladung ähnlich der Delta-Peak-Methode
auch bei Normalakkus. Kurze Entladeimpulse während der Ladephase erhalten die chemische
Reaktionen in der Akkuzelle in einem günstigen Bereich.
Das wesentliche Element des von Christie Electric Corp.1988 patentierten Reflexverfahrens liegt
darin, dass während eines Ladevorgangs (mit hohem Strom) periodisch für eine kurze Zeit (mit einem
noch höheren Strom) entladen wird.
Der Sinn des Prozedur ist: Während des Ladens mit hohem Strom entstehen durch
Elektrolyseprozesse kleine Sauerstoffbläschen an den Elektroden. Dadurch wird die effektive
Elektrodenoberfläche reduziert und so die Impedanz der Zelle erhöht. Eine erhöhte Zellenimpedanz
hat aber eine geringere Ladeeffektivität und zudem eine höhere Temperatur zur Folge.Um dies zu
vermeiden, ist der periodische Entladepuls vorgesehen. Dieser Entladepuls löst Bläschen von den
Elektroden ab und fördert durch den nun umgekehrten Stromfluss die Rekombination des Sauerstoffs
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an der negativen Elektrode. Die Strategie arbeitet aber nur dann zuverlässig, wenn die Gasbläschen
noch klein sind. Aus diesem Grunde erfolgt der Entladepuls etwa jede Sekunde.
Der Vorteil des Verfahrens liegt nun nicht nur im höheren zulässigen Ladestrom. Die Effektivität des
Ladevorganges steigert sich nämlich auch noch dadurch, dass (NiCd-typisch) allein schon durch die
Hochstromladung eine zusätzliche höhere Effektivität erreicht wird. Während die Effektivität beim
Reflex-Prinzip mehr als 95 prozent (bei minimaler Zellenerwärmung) erreicht, liegt die Effektivität bei
konventioneller C/3-Ladung bei nur etwa 70 prozent.
Das Reflex-Prinzip setzt also mehr Energie in Ladung statt in Gasentwicklung um. Dass bei dieser
Lademethode ein Memoryeffekt vermieden bzw. ein bestehender Memoryeffekt rückgängig gemacht
wird (Aufbrechen der Kristalstrukturen) braucht keiner besonderen Erwähnung.
Quellen: Fidonet, Elektronik.ger, diverse Lexika und Fachbücher
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