Nickel Metallhydrid Akkus

 

1. Allgemeines

Unter den wideraufladbaren Gerätebatteriesystemen ist zur Zeit das System NiCd mit Abstand vorherrschend, was an der Robustheit und der universalen Einsetzbarkeit liegt. Alle anderen verfügbaren Systeme sind neu auf dem Markt oder Spezialsysteme für spezielle Anwendungen. Da das System NiMH weitgehendst kompatibel dazu ist, Zusatzvorteile bietet und in Zukunft weiterentwickelt wird, kann es in vielen Anwendungen die Rolle des NiCd Systems übernehmen. Als weiteres System wird im Laufe der kommenden Jahre Lithium wiederaufladbar, auch unter der Bezeichnung Li/Swing oder Li/Ion bekannt, an Boden gewinnen. Da es sich hierbei um ein System mit 3 V handelt, ist keine Kompatibilität zu anderen Systemen gegeben, was eine Markteinführung verlangsamt.

 

2. Zellenaufbau

Die elektrochemischen Vorgänge eine NiMH-Zelle sind mit den der NiCd-zelle fast identisch, sie unterscheiden sich jedoch an den negativen Elektroden. Wie von NiCd-Systemen bekannt ist, gibt es auch bei NiMH-Zellen eine Lade/Entladereserve, d.h. eine Überlade- und Tiefentladefähigkeit ohne Schäden für den Akku. Dies wird erreicht, indem man die negative Elektrode größer bzw. massenreicher gestaltet wie die positive Elektrode. Die Entstehung eines Sauerstoffüberdruckes durch Überladung wird wie bei der NiCd-Zelle durch Rekombination an der negativen Elektrode verhindert. Man muss also bei Überladung die entstehenden O2-Molekuele möglichst schnell binden, um einen Überdruck zu verhindern bzw. das das Sicherheitsventil das Akkus nicht anspricht. Andererseits ist die negative Elektrode einer NiMH-Zelle in der Lage, Wasserstoff zu absorbieren, so das im Fall einer Tiefentladung oder Umpolung der an der positiven Elektrode entstehende Wasserstoff ebenfalls zu einem gewissen Grad verzehrt werden kann. Das die Lade/Entladereserve nur in einem gewissen Bereich Wirkung zeigt, bedarf keiner weiteren Erwähnung.

 

3. Vergleich der Systeme

Das Verhalten der NiMH-Zellen bei kleinen und mittleren Entladeströmen gleicht fast den der NiCd-Zellen. Bei großen Entladeströmen sind NiCd-Akkus im Vorteil, d.h das sich große Entladeströme bei NiCd-zellen weniger auf die Kapazität auswirken, wie bei NiMH-Akkus. Weitere Unterschiede ergeben sich zwischen NiMH- und NiCd-Zellen aber im Spannungsverhalten während der Ladung. Generell liegt die Ladespannung von NiMH-Zellen leicht unterhalb der NiCd-Zellen, und das fuer NiCd-typische Spannungsmaximum am Ladende bei hohen Lastströmen ist bei NiMH-Zellen wesentlich schwächer ausgeprägt. Des weiteren zeigen NiMh-Akkus 25%-100% größere Kapazitätswerte auf wie NiCd-Systeme bei gleicher Bauform. Die Größenänderung hängt natürlich von der Baugröße und des verwendeten NiCd-Systems ab. Außerdem sind NiMH-Zellen über einen viel größeren Temperaturbereich einsetzbar als NiCd-Systeme.

Laden: 0 .... 60 Grad / Entladen: -20 ... 65 Grad / Lagern: -40 ... 65 Grad

Die obere Grenze für NiMH-Zellen liegt also bei 65 grad. Ladespannungen sollten nicht unter 0 grad durchgeführt werden, da der unerwünschte Druckaufbau die Zelle im ungünstigen Fall zerstören könnte. Ein weiterer größer Vorteil der NiMH-Zelle ist, das sie keinen Memory-Effekt aufweist.

 

4. Lade- Entlade- Eigenschaften

Je höher der Ladestrom, desto höher ist die Ladeschlussspannung. Die Ladespannung von NiMH-Akkus weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf.( d.h je höher die Temperatur, desto geringer ist die Ladeendspannung ). Die Ladespannungskennlinie verläuft sehr flach. Bei ereichen des Ladeendzustandes steigt die Spannung noch mal stärker an. Ladegeräte können diesen Spannungsanstieg auswerten und entsprechend auf

Ladehaltestrom umschalten. Lädt man den NiMH-Akku über die Ladeendspannung hinaus weiter, so sinkt die Ladespannung wieder. Auch diesen Rückgang der Spannung kann man als Abschaltkriterium verwenden. Meist lassen sich negative Spannungsänderungen schaltungstechnisch besser lösen, als positive. Der Anstieg bzw. der Rückgang der Ladespannung ist temperaturabhängig. Anders ist es bei der Entladespannung. Sie ist um so größer je höher die Temperatur ist. Die Kapazitätsausbeute steigt mit der Temperatur. Bei höheren Temperaturen macht sich bei kleinen und mittleren Entladeströmen jedoch der gegenteilige Effekt bemerkbar. Daher verringert sich die Kapazität bei 60 Grad geringfügig gegenüber der bei Raumtemperatur.

 

5. Vergleich diverser Sekundärsysteme

 

  ni/cd blei ni/mh li/ion
Energiedichte (volumenbezogen) - - ++ ++
Zyklenverhalten ++ - ++ ++
Selbstentladung   + + + ++
Schnelladefähigkeit   ++ - + -
Hochstrombelastbarkeit   ++ + + -
Sicherheit und Zuverlässigkeit + ++ + -
Kosten + ++ - -
Spannungskompatibilität ++ - ++ --
Umweltverträglichkeit -- -- + +
Spannungsstabilität beim entladen ++ -- ++ --

 

++ ausgezeichnet  + gut
- ausreichend für viele Anwendungen -- beträchtliche Nachteile
 

Lithium-Ionen Zellen

Lithium-Ionen-Akkus werden im Prinzip geladen wie Bleiakkus, allerdings muss die Spannung jeder Zelle auf 0.5% genau eingehalten werden (sonst wird sie entweder nicht voll oder fängt beim Überladen Feuer), was nicht so einfach ist. Zum Laden kann man sich einen fertigen LiIon- Ladechip (z.B MAX1811/1898) nehmen. Der kümmert sich auch um den Rest. Ein LiIon-Akku geht sofort kaputt, wenn er unter eine bestimmte Spannung entladen wird, auch durch Selbstentladung, also rechtzeitig abschalten und gleich wieder aufladen.

bald mehr über diese Zellengattung ..

 

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