Nickel Cadmium Akkus

 

1. Allgemeine Eigenschaften der NiCd-Akkus

Wohl einer der Hauptvorteile von NiCd- Systemen sind vor allem 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 gehört 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) hinzuzufügen. 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 Sauerstoffreduktion an der negativen Elektrode verwendet ohne dass es zu einem unzulässigen Druckanstieg kommt. Trotz all dieser Maßnahmen hat natürlich die Umpolfestigkeit auch ihre Grenzen. In Großserienfertigung 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 Säurekonzentrationen ist zwar mit höherer Kapazität zu rechnen, jedoch geht dies sehr zu Lasten der Lebensdauer einer Zelle. Übrigens bleibt die Säuredichte einer NiCd-Zelle während der Ladung und Entladung ziemlich konstant, da sich die Reaktionen an der negativen und an der positiven Elektrode nahezu kompensieren.

 

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 Selbstentladung stattfinden. Die volle Kapazität erreichen NC-Akkus 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 Knallgas-Erzeugung (Gasung) einen Druckanstieg 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 Ladeschlussspannung ist die Klemmspannung bei voll aufgeladenem Akku mit angeschlossenem Ladegerät. Sie beträgt bei NC-Zellen ca. 1.50 V. Die Entladeschlussspannung ist der Wert der Klemmspannung die der Akku gerade noch erreichen darf, ehe er tiefenentladen wird. Eine Tiefentladung des Akkus bedeutet immer eine Verkürzung der Lebensdauer. Entladeschlussspannung 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 unempfindlich gegen gelegentliche Tiefentladungen sind, sollte die Entladeschlussspannung 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.1.299 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:

Eine Verringerung der (Lager)-Temperatur um 10 grad, halbiert die Größe der Selbstentladung und verdoppelt somit die mögliche Lagerfähigkeit. Bei tiefen Temperaturen ist die Selbstentladung vernachlässigbar. Reduktion= das Gegenteil von Oxidation, also Abspaltung des Sauerstoffes.

 

5.5 Welche Rolle spielt die Temperatur im Akku ?

Viele Eigenschaften von Akkus ändern sich mit schwankender Temperatur. Eine Angabe von Bsp. 1Ah = 1000mAh besagt, das man bei 1/10 des Nennstromes (100mA) rund 10 h benötigt, um den Akku restlos auszuschöpfen. Dies ist aber nicht erwünscht (s.o.) Außerdem ist die Stromausbeute sehr stark Temperatur abhängig. Wie wir schon von der Schule her wissen, laufen chemische Reaktionen bei erhöhten Temperaturen wesentlich schneller ab, das gilt auch für die Selbstentladung, die in diesem Fall die verfügbare Kapazität ziemlich stark einschränkt. 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 Innenwiderstandes 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 Kapazitaet abhängig ?

Die verfügbare Kapazität in Abhängigkeit vom Entladestrom ist stark vom Aufbau abhängig, wobei man die Zellengröße als Faustkriterium nehmen kann. Bei kleinen Zellen (300mAh) sind bei 1C gerade mal 60% verfügbar, bei Zellen mit 1,5Ah sind bei 1C noch 95% verfügbar, speziellen Zellen liegen bei 1C noch weit über der Nennkapazität. Immer noch Spitze sind die 1,7Ah-Zellen von Sanyo (56g), die z.B. einen Strom von 65A (=38C) immerhin noch 80s lang liefern können, das entspricht einer entnehmbaren Kapazität von 85% bei 38C.

 

6. Durch welche Maßnahmen kann man die Eigenschaften einer NiCd-Zelle verbessern ?

Etwas aufwändiger 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 raue 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. Des weiteren 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. Welche Aufgabe hat der Separator in einem NC-Akku ?

Damit die Elektroden immer einen optimalen Abstand haben, muss man sie stets mechanisch 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. Einige technische Daten

Spezifische Energiedichte : 21-27 Wh/kg

elektrochemische Spannung

der Gesamtreaktion : 1.299 V

Innenwiderstand : 5m Ohm

entnommene Kapa. Qab

Ladewirkungsgrad nAH = : --------------------- = -----

zugegebene Kapa. Qzu

Ladewirkungsgrad : ca. 83 % - 72 %

Endladeschlussspannung : 0.85 V

Die generelle obere Temperaturgrenze von NiCd : 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 Schnellladung: Die Vorteile sind kurze Ladezeiten und bessere Regeneration. Wegen des unterschiedlichen Wirkungsgrades verschiedener Akkutypen wird der Akku jedoch meist über- oder unterladen. Schnellladefähige, also teure Akkutypen sind notwendig. Entladen und anschließende Schnellladung 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 über- oder unterladen. Entladen und Schnellladung mit Temperaturüberwachung: Der Temperaturanstieg während der Ladung ist ein gutes Maß für den Ladezustand. Der Kontakt von Fühler und Akku ist oft problematisch.

Entladen und Schnellladung 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.

Anmerkungen zum Reflexprinzip: 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 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 % (bei minimaler Zellenerwärmung) erreicht, liegt die Effektivität bei konventioneller C/3-Ladung bei nur etwa 70 %.

Das Reflex-Prinzip setzt also mehr Energie in Ladung statt in Gasentwicklung um. Dass bei dieser Lademethode ein Memoryeffekt vermieden bzw. ein bestehender Memoeffekt rückgängig gemacht wird (Aufbrechen der Kristallstrukturen) braucht keiner besonderen Erwähnung.

 

 

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