Nickel-Metallhydrid-Akkumulator

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.

Viele elektrische Geräte sind so ausgelegt, dass sie auch mit fast entladenen Zellen, z. B. 1 Volt unter Last, funktionieren ("Last" bedeutet, dass diese unter Belastung, also während der Stromentnahme, die genannte Spannung, hier 1 Volt, abgeben). Diese Geräte lassen sich deswegen mit nahezu allen Zellen mit 1,2 bis 1,5 Volt Leerlaufspannung betreiben (der Spannungsverlauf liegt unter Last durchschnittlich bei 1,2 V (± 0,3 V). Dies entspricht bei Akkumulatoren annähernd der Ladeschlussspannung. Ausgenommen sind Anwendungen, deren korrekte Funktion auf dem relativ hohen Innenwiderstand üblicher Primärzellen beruht. Der Grund hierfür ist der Innenwiderstand, der im Vergleich zu Alkaline- und Kohle-Zink-Zellen erheblich kleiner ist.

Niedrigohmige (also mit geringem elektrischen Widerstand) NiMHs können im Gegensatz zu Zink-Kohle-Batterien ihre gespeicherte Energie innerhalb kurzer Zeit mit nahezu gleich bleibender Spannung abgeben.

NiMH-Akkus bieten im Vergleich zu NiCd-Akkus bei gleicher Spannung ungefähr die doppelte Energiedichte. Zudem kommt noch, dass sie im Vergleich zu den NiCd-Akkus haltbarer sind und der Memory-Effekt aufgrund der anderen Verarbeitung fast wegfällt.

NiMH-Akkus werden mittelfristig Nickel-Cadmium-Akkus verdrängen, da sie ohne das giftige Schwermetall Cadmium auskommen. Die EU erlässt möglicherweise in den nächsten Jahren (Stand 2005) europaweite Verbote/RoHS. Davon ausgenommen sind Modelle zur Verwendung in schnurlosen Elektrowerkzeugen, in medizinischen Geräten und für industrielle und motorgetriebene Anwendungen, denn 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.

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Aufbau

  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.

Selbstentladung

NiMH hat eine Selbstentladerate von 5 bis 10 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 erwartet wurde, 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 (>2700mAh) haben die höchste Selbstentladungsrate.

Neue Generation mit niedriger Selbstentladungsrate

2006 wurde ein neuer Typ von NiMH-Akkus vorgestellt, die aufgrund neuer Separatoren eine deutlich niedrigere Selbstentladungsrate vorweisen. Dadurch können sie vorgeladen verkauft werden und müssen nicht vor dem ersten Gebrauch geladen werden wie herkömmliche Akkus. Ihre Selbstentladungsrate soll bei Raumtemperaturlagerung nur 15 % 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, Ansmann zog bald nach mit der maxE-Reihe.

Elektrochemie

Die Anode besteht aus einer Metall-Legierung, die reversibel Wasserstoff speichern kann (siehe auch Metallhydrid). Als Metall-Legierung 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 Katode.

Beim Entladen wird der Wasserstoff oxidiert. Die dadurch entstehenden H⁺-Ionen (Wasserstoffionen) reagieren mit den OH⁻-Ionen der Kalilauge zu Wasser. Das Redox-Potential bei pH 14 beträgt ca. −0,83 V (1). An der Kathode wird Nickel von Ni(III)O(OH) zu Ni(II)(OH)₂ reduziert. Die Redox-Spannung 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, die damit die Kapazität des Akkumulators bestimmt.

Eigenschaften

  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 2700 mAh ^[1] sind für die Baugröße AA erhältlich, für die Größe AAA gibt es Akkus mit bis zu 1700 mAh (Stand 2007). Es werden zum Teil auch NiMH-Zellen mit Kapazitäten von 2900, 3200 oder mehr mAh angeboten, durch die fehlenden Angaben der Messmethode kann jedoch die Validität 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.

NiMH-Akkus sind für den Betrieb bei Temperaturen unterhalb von 0 °C ungeeignet. Bereits beim Annähern an den Gefrierpunkt weisen sie einen deutlichen Kapazitätsverlust auf, bei ca. −20 °C werden sie vollkommen unbrauchbar.

NiMH-Akkus reagieren empfindlich auf Überladung, Überhitzung, falsche Polung, Tiefentladung und Tiefentladung mit Umpolung, die bei in Reihe geschalteten Zellen auftreten kann. Die Abnahme der Kapazität hat nichts mit dem Memory-Effekt zu tun und lässt sich auch nicht durch besondere Maßnahmen rückgängig machen. Vollständiges Entladen (bis auf 1 V gemessen unter Last) oder gar wiederholtes Laden und Entladen verringert lediglich die Lebensdauer wegen der beschränkten Zahl möglicher Ladezyklen. Möchte man die Solllebensdauer von typischerweise 500 Ladezyklen (entsprechend 10 Jahren bei wöchentlicher Ladung) erreichen, ist ein intelligentes Ladegerät unabdingbar.

Aufladung

Siehe Ladeverfahren.

Verwendung

Im Wesentlichen ist die Verwendung des NiMH-Akkumulators vergleichbar mit den Verwendungen für den NiCd-Akku. Akkus kommen vor allem dort zum Zug, wo hoher Strombedarf besteht. Dazu will man besonders im Freizeitbereich teure Käufe von herkömmlichen Batterien vermeiden. Strom aus normalen Batterien kostet etwa 400 bis 800 mal so viel wie solcher aus Akkus, wo fast nur die Kosten des Haushaltsstroms anfallen.

• Spielzeug: besonders Modellrennautos, Modellmotorboote, auch ferngesteuerte Modelle verschiedenster Art.
• Fotoapparate und Videokameras
• Elektrische Werkzeuge wie Bohrmaschinen

NiMH-Akkus sind auch gebräuchlich als Energiespeicher in Notbeleuchtungsanlagen.

Im PKW des Typs Toyota Prius wird die bislang größte serienmäßig hergestellte Nickel-Metallhydrid-Batterie zum Antrieb eines 33-kW-Elektromotors eingesetzt (Stand 2005). Sie besteht aus 228 in Reihe geschalteten Zellen mit einer Kapazität von je 6,5 Ah. Die Zellen stellen eine Spannung von 228 × 1,2 V = 273,6 Volt bereit. Die Entladung ist auf 40 % der Gesamt-Energie von 273,6 V × 6,5 Ah = 1750 Wh begrenzt. Einschließlich Ladeelektronik weist die Batterie eine Masse von 53,3 kg auf.

Siehe auch

• NiMH-Batterien im Elektroauto Prius
• Hochleistungsakkus der Fa. Sanyo: Eneloop
• 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

Externe Quellen

1. ↑ Presseerklärung: SANYO Announces the Sale of World’s Highest Capacity Level AA & AAA Size Nickel - Metal Hydride Battery