Nickel-Metallhydrid-Akkumulator

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Dieser Artikel behandelt den NiMH abgekürzten Nickel-Metallhydrid-Akkumulator. Für die Abkürzung NIMH, siehe National Institute of Mental Health. Für den Film, siehe Mrs. Brisby und das Geheimnis von NIMH.
Handelsübliche NiMH-Akkuzellen in Mignon-Bauform (Größe AA)

Ein Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH) ist ein Akkumulator mit einer positiven Elektrode aus Nickel(II)-hydroxid und einer negativen Elektrode aus einem Metallhydrid. NiMH-Akkumulatoren sind vielfach in den üblichen Bauformen von Kleinbatterien verbreitet und liefern pro Zelle eine Spannung von 1,2 V. Sie können damit zumeist als wiederaufladbare Alternative die gängigen Alkalibatterien in haushaltsüblichen Geräten ersetzen. Vorteile gegenüber den mittlerweile nicht mehr frei verkäuflichen Nickel-Cadmium-Akkumulatoren (NiCd) bestehen im Fehlen des giftigen Cadmiums und einer höheren Energiedichte.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Vergleich von Leistungs- und Energiedichte einiger Energiespeicher

Die Energiedichte einer NiMH-Zelle beträgt etwa 80 Wh/kg und ist damit fast so groß wie die einer Alkali-Mangan-Batterie und mehr als doppelt so groß wie die eines Akkus auf NiCd-Basis. Für die Baugröße AA sind Kapazitäten von 800 bis 2850 mAh erhältlich, für Ersatzzwecke zum Austausch von NiCd-Zellen gibt es auch Sonderausführungen mit nur 600 bis 900 mAh. Diese sollen mit alten Ladeschaltungen besser verträglich sein. Für die Größe AAA gibt es Akkus mit bis zu 1100 mAh (Stand 2013).

Typische Entladekurve bei gleichmäßiger Belastung. Die Entladungsspannung verläuft bis fast zum Schluss leicht abfallend geradlinig.

Die niederohmigen NiMHs (geringerer Innenwiderstand gegenüber Batterien) können im Unterschied zu Zink-Kohle-Zellen ihre gespeicherte Energie innerhalb kurzer Zeit mit nahezu gleichbleibender Spannung abgeben.

Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen (beispielsweise Einzelnachweisen) ausgestattet. Die fraglichen Angaben werden daher möglicherweise demnächst entfernt. Bitte hilf der Wikipedia, indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfügst. Näheres ist eventuell auf der Diskussionsseite oder in der Versionsgeschichte angegeben. Bitte entferne zuletzt diese Warnmarkierung.

NiMH-Akkumulatoren haben wie NiCd-Akkus eine nominale Spannung von 1,2 Volt. Dennoch werden sie in vielen Anwendungen als Ersatz für Zink-Kohle- und Alkaline-Batterien verwendet, welche 1,5 V Zellspannung aufweisen. Bei manchen Anwendungen kann die niedrigere Nennspannung aber von Nachteil sein. Z. B. leuchten ungeregelte Taschenlampen, die für 1,5-V-Batterien ausgelegt sind, mit 1,2-V-Akkus durch die niedrigere Spannung in der Regel deutlich weniger hell. Unter hoher Last kann der Akku mit dem Vorteil seines geringeren Innenwiderstandes eine höhere Spannung halten.

Einschränkungen[Bearbeiten]

NiMH-Akkus reagieren empfindlich auf Überladung, Überhitzung, falsche Polung, Tiefentladung (Stromentnahme bis zur nahezu vollständigen Erschöpfung der Ladekapazität) oder Tiefentladung mit Umpolung, wie sie z. B. bei in Reihe geschalteten Zellen auftreten kann. Die dabei mögliche Abnahme der Lademenge („Kapazität“) lässt sich auch durch besondere Maßnahmen wie vollständiges Entladen (bis auf 1 V unter Last) oder gar wiederholtes Laden und Entladen nicht wieder rückgängig machen (das hat sogar den negativen Effekt, dass sich die Lebensdauer aufgrund der beschränkten Zahl möglicher Ladezyklen verringert). Zum Erreichen der Solllebensdauer von typischerweise 500 Ladezyklen (entsprechend zehn Jahren bei wöchentlicher Ladung) ist ein intelligentes Ladegerät unentbehrlich.

Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen (beispielsweise Einzelnachweisen) ausgestattet. Die fraglichen Angaben werden daher möglicherweise demnächst entfernt. Bitte hilf der Wikipedia, indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfügst. Näheres ist eventuell auf der Diskussionsseite oder in der Versionsgeschichte angegeben. Bitte entferne zuletzt diese Warnmarkierung.

NiMH-Akkus sind nicht für den Betrieb bei Temperaturen unterhalb von 0 °C geeignet. Bereits in der Nähe des Gefrierpunktes weisen sie durch die Verringerung der Beweglichkeit der Elektronen einen deutlich höheren Innenwiderstand auf, durch den die Spannung unter Last einbricht und nur geringe Ströme (Leistungen) entnehmbar sind. Bei etwa −20 °C werden sie völlig unbrauchbar, aber nicht zerstört.

Anstelle des besonders bei älteren NiCd-Akkus relevanten Memory-Effektes kommt es bei NiMH-Akkus nach häufigen Teilentladungen zum Batterieträgheitseffekt, einem Abfall der erzielbaren Entladespannung, der aber weitgehend reversibel ist.

Vergleich mit NiCd-Akkumulatoren[Bearbeiten]

NiMH-Akkus bieten im Vergleich mit Nickel-Cadmium-Akkumulatoren (NiCd-Akkus) bei gleicher Spannung ungefähr die doppelte Energiedichte. Sie haben NiCd-Akkus, welche in bestimmten Anwendungen und Bauformen wie den Mignonzellen durch ein EU-weites Handelsverbot belegt sind, weitgehend verdrängt. NiMH-Akkus kommen ohne das giftige Schwermetall Cadmium aus.

NiMH-Akkus haben aber auch Nachteile gegenüber NiCd-Akkus: Geringere Zyklenfestigkeit, geringerer maximaler Lade- und Entladestrom, kleinerer Temperaturbereich und geringere Robustheit gegen minderwertige Ladeverfahren oder Tiefentladung, sowie schwierigere Ladeschlusserkennung.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Aufbau[Bearbeiten]

Aufbau eines NiMH-Akkus.

Das Bild rechts zeigt die Komponenten eines geöffneten NiMH-Akkus. Die Lochfolie (links) dient als Träger für die Metall-Legierung bzw. das Metallhydrid-Pulver, welches die negative Elektrode bildet. Hierfür wird zum Beispiel eine Legierung mit der Verhältnisformel La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1 verwendet. Der Separator (Mitte) nimmt den Elektrolyten, eine 20%ige Kalilauge mit einem pH-Wert von 14, auf und verhindert den unmittelbaren Kontakt zur positiven Elektrode. Diese besteht aus einem Blech aus Nickel(II)-hydroxid und schwarzem Nickeloxidhydrat (Nickel(III)-hydroxid) (rechts).

Die Folien werden mit außen liegender negativer Elektrode aufgewickelt und mit einem Metallzylinder ummantelt (aufgesägt, unten links). Das Gehäuse ist elektrisch leitend mit der negativen Elektrode verbunden und bildet den Minuspol des Akkus. Eine elektrische Zuleitung vom Nickeloxid-Blech (rechts, blauisolierter Metallstreifen) führt zum Kopf der Zelle und bildet den Pluspol.

Elektrochemie[Bearbeiten]

Beim Ladevorgang werden am Minuspol H+-Ionen (Protonen) zu Wasserstoff reduziert, der reversibel von der Metalllegierung gebunden und als Metallhydrid gespeichert wird. Am Pluspol wird beim Ladevorgang Nickel der Oxidationsstufe +II (in Form von Nickel(II)-hydroxid) zu Nickel der Oxidationsstufe III (zu Nickel(III)-oxidhydrat NiO(OH)) oxidiert.

Beim Entladen wird das Metallhydrid (M+H) zu Metall der Oxidationsstufe 0 (M0) und einem Proton (H+) oxidiert. Die entstehenden Protonen reagieren mit den OH-Ionen (Hydroxidionen) der Kalilauge zu Wasser. Das Redoxpotential bei pH 14 beträgt ca. −0,83 V(1). Durch die ebenfalls bei der Reaktion entstehenden freien Elektronen wird dieser Pol zum Minuspol. Am anderen Pol wird Nickel der Oxidationsstufe +III (NiO(OH) oder Ni2O3·H2O) zu Nickel der Oxidationsstufe +II (Ni(OH)2) reduziert. Dabei werden freie Elektronen gebunden, so dass dieser Pol zum Plus-Pol wird. Die Redoxspannung beträgt ca. +0,49 V(2). Die Gesamtspannung der Summen-Reaktion beträgt 1,32 V(3).

\mathrm{{\overset{+1}{M}}H + OH^- \longrightarrow {\overset{0}{M}} + H_2O + e^-} −0,83 V
\mathrm{{\overset{+3}{Ni}}O(OH) + H_2O + e^- \longrightarrow {\overset{+2}{Ni}}(OH)_2 + OH^-} +0,49 V
\mathrm{{\overset{+1}{M}}H + {\overset{+3}{Ni}}O(OH) \longrightarrow {\overset{0}{M}} + {\overset{+2}{Ni}}(OH)_2} Summe: 1,32 V Leerlaufspannung

Damit gegen Ende der Entladung nicht das Metall statt des Wasserstoffs oxidiert, verbaut man eine negative Elektrode, die viel größer ist als die positive Elektrode. Letztere bestimmt damit die Kapazität des Akkumulators: Das Nickel(III)-oxidhydrat an der kleineren positiven Elektrode ist erschöpft, bevor der Wasserstoff an der größeren negativen Elektrode vollständig aufgebraucht ist.

Aufladung[Bearbeiten]

NiMH-Akkus in einem Ladegerät
Hauptartikel: Ladeverfahren

Selbstentladung[Bearbeiten]

Herkömmliche NiMH-Akkus haben eine Selbstentladerate von fünf bis zehn Prozent am ersten Tag und stabilisieren sich dann bei einem halben bis einem Prozent pro Tag bei Raumtemperatur. Diese hohe Selbstentladung verhindert den Einsatz solcher Akkus in Geräten, bei denen eine Batterielebensdauer von mehreren Monaten oder Jahren gewünscht ist, wie zum Beispiel Uhren, Fernbedienungen oder gar sicherheitsrelevanten Geräten wie Feuermeldern oder Taschenlampen für den Notfall. Die Umgebungstemperatur hat einen starken Einfluss auf die Höhe der Entladerate, niedrigere Umgebungstemperaturen haben eine niedrigere Selbstentladungsrate, höhere Umgebungstemperaturen eine höhere Selbstentladungsrate zur Folge. Ebenso hat die Kapazität einen Einfluss auf die Selbstentladungsrate: Höchstkapazitative Zellen (> 2700 mAh für Zellen in AA-Größe) haben die höchste Selbstentladungsrate.

2006 wurde ein neuer Typ von NiMH-Akkus vorgestellt, NiMH mit geringer Selbstentladung, die durch Verwendung neuer Separatoren eine deutlich niedrigere Selbstentladungsrate vorweisen. Sie können vorgeladen verkauft werden und müssen nicht wie herkömmliche Akkus vor dem ersten Gebrauch geladen werden. Ihre Selbstentladungsrate soll bei Raumtemperaturlagerung nur 15 Prozent pro Jahr betragen. Sie können in herkömmlichen Ladegeräten geladen werden und haben ähnliche Ladezyklen (500 bis 1000) wie bisherige NiMH-Akkus. Sanyo war als erster mit solchen Akkus (Eneloop) auf dem Markt, bald darauf folgten andere Hersteller.

Batterieträgheitseffekt[Bearbeiten]

Der Begriff Batterieträgheitseffekt (auch: Lazy-Battery-Effect) bezeichnet einen Abfall der erzielbaren Entladespannung durch unvollständige Entladung vor dem Wiederaufladen des Akkus (Teilentladung). Allerdings fällt dabei die Akkuspannung nicht wie beim Memory-Effekt weit vor Erreichen der Nennlademenge plötzlich stark ab, sondern bleibt über den gesamten Entladevorgang etwas geringer als bei einer nicht unter dem Effekt leidenden NiMH-Zelle.

Der Batterieträgheitseffekt verändert also nicht die Ladungsmenge (abgegebene Stromstärke mal Zeit) des Akkus, sondern verringert durch die herabgesetzte Spannung während des Entladens geringfügig seine abgegebene Leistung, was in praktischen Anwendungen häufig vernachlässigbar ist. Elektronische Geräte, z. B. Digitalkameras, reagieren jedoch je nach Modell recht empfindlich auf eine zu geringe Spannung und erkennen den Akku dann zu früh als entladen.

Der Batterieträgheitseffekt ist reversibel: Er kann durch etwa fünf vollständige Lade- und Entladezyklen mit einem geeigneten Ladegerät wieder beseitigt werden.

Verwendung[Bearbeiten]

Nickel-Metallhydrid-Akkupack für Elektroautos.
Nickel-Metallhydrid-Traktionszelle 80 Ah und Mignon-Zellen (AA) als Größenvergleich

Vergleichbar NiCd-Akkus, kommen NiMH-Akkumulatoren überall dort zur Anwendung, wo hoher Energiebedarf besteht und hohe Batteriekosten vermieden werden sollen.

  • Kleinleuchten, LED-Leuchten
  • Spielzeuge
  • Fernsteuerungen
  • Audio-, Foto- und Videogeräte
  • Elektrische Zahnbürsten und Rasierapparate
  • Schnurlose DECT-Telefone
  • Softairwaffen
  • GPS-Geräte
  • Elektrowerkzeuge
  • Elektroautos

NiMH-Akkus sind auch gebräuchlich als Energiespeicher in Notbeleuchtungsanlagen.

Als Traktionsbatterie wurden NiMH-Akkus erstmals beim EV1 von General Motors eingesetzt. Später verkaufte GM die Mehrheitsanteile von Ovonics, die die Produktion der NiMH-Akkus mittels Patenten kontrollierten, an den Ölkonzern Texaco. Dadurch wurden Weiterentwicklung und Verwendung stark eingeschränkt. Der Toyota Prius verwendet zum Beispiel 228 in Reihe geschaltete 6,5-Ah-NiMH-Akkus mit einer Gesamtspannung über 200 V zur Versorgung eines 60-kW-Elektromotors. Die patentrechtlich erlaubte Obergrenze für die Zellkapazität ist 10 Ah. Es sind verschiedene Rechtsstreite, unter anderem mit Matsushita, anhängig. Alternativ lassen sich große Akkus von der zu Ovonics gehörenden Konzerntochter Cobasys erwerben.

Literatur[Bearbeiten]

  •  David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002, ISBN 0-07-135978-8.
  •  Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Printyourbook, 2006, ISBN 978-3-939359-11-1.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]