Lazy-Battery-Effekt

Nickel-Metallhydrid-Batterie von VARTA

Ein Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH) ist ein Akkumulator, der mechanisch baugleich zu handelsüblichen Batterien hergestellt wird. Diese Teile werden üblicherweise in das Batteriefach des mit Strom zu versorgenden Gerätes eingelegt und werden, ebenso wie Batterien, auch als Zelle bezeichnet.

Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren verwenden eine Kathode mit Nickelhydroxid und eine Anode aus einem Metallhydrid.

Eigenschaften

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. Kapazitäten von 1300 bis 2850 mAh sind für die Baugröße AA erhältlich, für die Größe AAA gibt es Akkus mit bis zu 1050 mAh (Stand 2008). Es werden auch NiMH-Zellen mit Kapazitäten von 2900, 3200 oder mehr mAh angeboten, durch die fehlenden Angaben der Messmethode kann jedoch der Wahrheitsgehalt dieser Angaben nicht überprüft werden. Besonders bei Kapazitäten von 3200 mAh oder mehr ist von Etikettenschwindel auszugehen. Mittlerweile (Stand Februar 2007) werden in den Größen Sub C Kapazitäten von bis zu 4600 mAh erreicht. Diese Zellen zeichnen sich zudem durch eine sehr gute Hochstromfähigkeit aus und finden vor allem im Modellbaubereich Anwendung.

Niederohmige (also mit geringem elektrischem Widerstand) NiMHs können im Unterschied zu Zink-Kohle-Zellen ihre gespeicherte Energie innerhalb kurzer Zeit mit nahezu gleichbleibender Spannung abgeben.

NiMH-Akkumulatoren haben wie NiCd-Akkus eine nominale Spannung von 1,2 Volt.

Einschränkungen

NiMH-Akkus reagieren empfindlich auf Überladung, Überhitzung, falsche Polung, Tiefentladung oder Tiefentladung mit Umpolung, wie sie 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 (dieses 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 kaum verzichtbar.

NiMH-Akkus sind nicht für den Betrieb bei Temperaturen unterhalb von 0 °C geeignet. Bereits in der Nähe des Gefrierpunktes weisen sie einen deutlichen Kapazitätsverlust auf, bei etwa −20 °C werden sie völlig unbrauchbar.

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

NiMH-Akkus bieten im Vergleich mit NiCd-Akkus bei gleicher Spannung ungefähr die doppelte Energiedichte. Zudem sind sie haltbarer als NiCd-Akkus.

NiMH-Akkus haben Nickel-Cadmium-Akkumulatoren (NiCd-Akkus) weitgehend verdrängt, da sie ohne das giftige Schwermetall Cadmium auskommen. Gemäß Richtlinie 2006/66/EG ist der Verkauf von NiCd-Akkus seit dem 26. September 2008 verboten. Mindestens bis zum 26. September 2010 sind NiCd-Akkus zur Verwendung in schnurlosen Elektrowerkzeugen vom Verbot ausgenommen.

NiCd-Akkus bieten auch Vorteile gegenüber NiMH-Akkus: Höhere Zyklenfestigkeit, höherer maximaler Lade- und Entladestrom, größerer Temperaturbereich und größere Robustheit gegen minderwertige Ladeverfahren sowie Tiefentladung sowie eine einfachere Ladeschlusserkennung.

Funktionsweise

Aufbau

Aufbau eines NiMH-Akkus.

Das Bild rechts zeigt die Komponenten eines geöffneten NiMH-Akkus. Die Lochfolie (links) dient als Träger für das Metallhydrid-Pulver, welches die negative Elektrode bildet. Der Separator (Mitte) nimmt den Elektrolyten auf und verhindert den unmittelbaren Kontakt zur positiven Elektrode. Diese besteht aus einem Blech aus schwarzem Nickeloxid-Hydrat (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

Die Anode besteht aus einer Metall-Legierung, die reversibel Wasserstoff speichern kann, indem sie ihn ins Kristallgitter einlagert, und so ein Metallhydrid aufbaut. Als Metalllegierung wird zum Beispiel La_0.8Nd_0.2Ni_2.5Co_2.4Si_0.1 verwendet. Der Elektrolyt enthält 20%ige Kalilauge mit einem pH-Wert von 14. Nickelhydroxid bildet die Kathode.

Beim Entladen fungiert das Metallhydrid wie ein Metallhydridspeicher als Wasserstoffdonator. Der Wasserstoff wird oxidiert. Die dadurch entstehenden H⁺-Ionen reagieren mit den OH⁻-Ionen (Hydroxidion) der Kalilauge zu Wasser. Das Redoxpotential bei pH 14 beträgt ca. −0,83 V⁽¹⁾. An der Kathode wird Nickel von Nickeloxyhydroxid Ni(III)O(OH) zu Nickel(II)-hydroxid Ni(II)(OH)₂ reduziert. Die Redoxspannung beträgt ca. +0,49 V⁽²⁾. Die Gesamtspannung der Summen-Reaktion beträgt 1,32 V⁽³⁾.

(1)	2 Metall-H + 2 OH− → 2 Metall + 2 H2O + 2 e−	−0,83 V
(2)	2 NiOOH + 2 H2O + 2 e− → 2 Ni(OH)2 + 2 OH−	+0,49 V
(3)	2 Metall-H + 2 NiOOH → 2 Metall + 2 Ni(OH)2	Summe: 1,32 V	Leerlaufspannung

Damit gegen Ende der Entladung nicht das Metall statt des Wasserstoffs oxidiert wird, verbaut man eine negative Elektrode, die viel größer ist als die positive Elektrode. Letztere bestimmt damit die Kapazität des Akkumulators.

Aufladung

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Hauptartikel: Ladeverfahren

Selbstentladung

NiMH hat eine Selbstentladerate von fünf bis zehn Prozent am ersten Tag und stabilisiert sich dann bei einem halben bis einem Prozent pro Tag bei Raumtemperatur. Diese hohe Selbstentladung verhinderte 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 Feuermelder 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) 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. Dadurch können sie vorgeladen verkauft werden und brauchen nicht vor dem ersten Gebrauch geladen zu werden wie herkömmliche Akkus. 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 jedoch auch andere Hersteller.

Batterieträgheitseffekt

Der Begriff Batterieträgheitseffekt (auch: Lazy-Battery-Effekt) bezeichnet einen Abfall der erzielbaren Entladespannung durch unvollständige Entladung vor dem Wiederaufladen des Akkus (Teilentladung). Allerdings sackt 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 der praktischen Anwendung häufig vernachlässigbar ist.

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

Verwendung

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

• Kleinleuchten, LED-Leuchten
• Spielzeuge
• Fernsteuerungen
• Elektrowerkzeuge
• Audio-, Foto- und Videogeräte
• Elektrische Zahnbürsten
• Schnurlose DECT-Telefone

NiMH-Akkus sind auch gebräuchlich als Energiespeicher in Notbeleuchtungsanlagen.

Wegen ihrer Vorteile gehört der Bautyp zu den Batterien, die für leistungsfähige Elektroautos und Hybridfahrzeuge entwickelt werden. Beispielsweise wird im Pkw Toyota Prius eine der bislang größten serienmäßig hergestellten Nickel-Metallhydrid-Batterien mit über 200 V und 6,5 Ah zur Versorgung eines 33-kW-Elektromotors eingesetzt.

Siehe auch

• NiMH-Batterien im Pkw Prius
• NiMH mit geringer Selbstentladung
• Spezielle Entwicklung: Hybridbatterie

Literatur

• David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002 ISBN 0-071-35978-8
• Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, Printyourbook 2006, ISBN 9783939359111

Weblinks

• Beschreibung der NiMH-Technik (englisch) – von Panasonic
• Empfohlene Lademethoden (englisch) – von Panasonic
• Empfohlene Lademethoden & Beschreibung des Memory-Effektes bei NiMH (englisch) – von Duracell
• Empfohlene Lademethoden & Beschreibung des Memory-Effektes sowie Auswirkungen niedriger Umgebungstemperaturen (Ambient Temperature) bei NiMH (englisch) – von Sanyo
• typ. Spannungsverlauf: NiMH-Akkus im Direktvergleich mit Alkaline-, Kohle-Zink-, Lithium-1,5V-Primärbatterien – erstellt von Rolf Zinniker
• Energiereserve – Nickelmetallhydrid-Akkus mit reduzierter Selbstentladung – Artikel von Jürgen Rink, bei heise mobil, vom 26. November 2007
• 2005: Marktreife einer weiterentwickelten NiMH-Technologie mit drastisch verringerter Selbstentladung. (englisch) – Sanyo Modell: HR-3UTG (Produktname: Eneloop/[1]) und Panasonic HHR-3MPS entwickelt für den „Wenignutzer“
• Umfangreiche Informationen zum Aufbau und zur Pflege von Akkumulatoren – batteryuniversity.com

Galvanische Zellen

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