2 NiCd/NiMH-Akkus. Pb-Akku 40. NiCd-Akku 40 NiMH-Akku 60. Li-Io-Akku 150. Kohle-Zink-Batterie 65 Alkali-Mangan-Batterie 125 Zink-Luft-Batterie 340

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1 19 2 NiCd/NiMH-Akkus Akkus sind ausgesprochen praktische Energiespeicher, da sie die Energie direkt in Form von elektrischem Strom abliefern. Auch Kondensatoren können Energie speichern und anschließend in Form von Strom abgeben, die Speicherdichte ist aber deutlich geringer, wie folgende Tabelle zeigt. Zum Vergleich ist die Energiedichte auch für gängige Batterien sowie eine Brennstoffzelle aufgeführt. Energiespeicher Pb-Akku 40 NiCd-Akku 40 NiMH-Akku 60 Li-Io-Akku 150 Kohle-Zink-Batterie 65 Alkali-Mangan-Batterie 125 Zink-Luft-Batterie 340 SuperCAP 1,5 Elektrolytkondensator 0,05 Brennstoffzelle (H 2 -Metallhydrid) 580 Energiedichte [Wh/kg] Tabelle 2.1: Energiedichte verschiedener elektrischer Energiespeicher Bis auf die nur zum Vergleich angeführten Batterien werden alle übrigen aufgeführten Energiespeicher in den folgenden Abschnitten ausführlich vorgestellt. Für den Modellbau und bei tragbaren Geräten der Unterhaltungselektronik waren seit den 60er-Jahren NiCd-Akkus (Nickel-Kadmium-Akkus) in standardisierter Bauform verfügbar. Im Lauf der Zeit wurde die Herstellung ständig verbessert. In den 90er-Jahren schließlich wurden weltweit riesige Mengen dieses Akkutyps verkauft. Kadmium ist allerdings ein stark toxisches Element. Es kann über die Atemluft oder über die Nahrungskette in den menschlichen Körper gelangen. Dort werden dann hauptsächlich Nieren und Knochen geschädigt. Irgendwann geht jeder Akku kaputt und landet im (Problem-)Müll. Das Umweltbewusstsein hat in der EU zu einem Verkaufsverbot von NiCd-Akkus geführt. Als Ersatztypen werden seit 1990 Akkus der gleichen Bauform in NiMH-Technik (Nickel-Metallhydrid) angeboten.

2 20 2 NiCd/NiMH-Akkus Im Folgenden lernen Sie beide Akkutypen kennen. Noch sind nämlich, insbesondere im Bereich Modellbau (RC-Modelle), sehr viele NiCd-Akkus im Umlauf. Aufgrund der sehr langen Lebensdauer von Akkus dieser Technologie wird sich das auch nur allmählich ändern. Kadmium ist giftig und sehr umweltschädlich. Aber auch die in den übrigen Akkutypen und Batterien genutzten Chemikalien sind nicht gänzlich unbedenklich. Deshalb sollten grundsätzlich alle verbrauchten Batterien und Akkus im Wertstoffhof entsorgt werden. Aufbau und Funktion Ein Akku besteht allgemein aus zwei Elektroden, die zu chemischen Reaktionen in der Lage sind, um entweder Elektronen nach außen abgeben oder von außen aufnehmen zu können. Im Akku-Inneren wird der Stromkreis geschlossen, indem Ionen des Elektrolyten, der zwischen den beiden Elektroden vorhanden ist, die Stromleitung übernehmen. Bild 2.1: Schema der Akkuentladung

3 2 NiCd/NiMH-Akkus 21 Bild 2.2: Schema der Akkuladung Bild 2.1 zeigt das allgemeine Schema beim Entladen eines Akkus. Anionen sind negativ geladene Ionen, die Elektronen vom Pluspol (Kathode) zum Minuspol (Anode) transportieren. Umgekehrt läuft dieser Vorgang beim Ladevorgang (Bild 2.2) ab. Das Ladegerät liefert Elektronen an den Minuspol (Kathode), Anionen übernehmen deren Weiterleitung durch den Elektrolyt zum Pluspol (Anode). Ein elektrochemisches Element besteht also aus zwei Elektroden und einem beide Elektroden verbindenden Elektrolyten. Die festen Elektroden bestehen aus Metallen (Nickel und Kadmium) oder metallischen Verbindungen und werden bei externem Stromfluss oxidiert bzw. reduziert. Über den Ionen leitenden, flüssigen oder pastösen Elektrolyt (z. B. Kalilauge) werden Ionen zwischen den Elektroden zum Schließen des Stromkreises ausgetauscht. Beim Laden und Entladen laufen im Akku Redox(Reduktions- und Oxidations)-Reaktionen ab. Im einen Fall wird Energie freigesetzt (der Stromfluss aufrechterhalten), im anderen Fall Energie verbraucht (Ladevorgang). Als Anode wird die oxidierende (Elektronen abgebende) Elektrode definiert, als Kathode die reduzierende (Elektronen aufnehmende). Beim Ladevorgang wird die positive Elektrode oxidiert und damit zur Anode, die negative Elektrode wird reduziert und damit zur Kathode. Je mehr Material an den Redox-Vorgängen beteiligt ist, desto mehr elektrische Energie kann gespeichert und wieder abgegeben werden. Die Kapazität eines Akkus hängt somit von der chemisch aktiven Stoffmenge im Akku ab. Beim Entladen sind die Reaktionen genau umgekehrt. Die abgegebenen Elektronen wandern durch die externe Schaltung. Im Akku übernehmen negativ geladene Ionen im Elektrolyt den Stromtransport. Das klingt möglicherweise verwirrend. Der Grund dafür liegt in der im vorletzten Jahrhundert definierten Stromrichtung. Danach fließt der Strom vom Pluspol zum Minuspol. Das wird als technische Stromrichtung bezeichnet und entspricht nicht dem

4 22 2 NiCd/NiMH-Akkus tatsächlichen physikalischen Sachverhalt. Tatsächlich fließt Strom in Metallen in Form von bewegten Elektronen. Diese tragen eine negative Ladung. Die Stromrichtung geht also vom Minuspol zum Pluspol. Zur Unterscheidung von der technischen wird die tatsächliche Stromrichtung als physikalische Stromrichtung bezeichnet. In der täglichen Praxis gibt es mit der Definition der Stromrichtung keine Probleme. Im Ausbildungsbereich wird aber strikt darauf geachtet, die Verhältnisse exakt darzustellen. Soweit der einfache prinzipielle Ablauf. In der Realität sind die Vorgänge deutlich komplizierter. Entladen von NiCd-Akkus Die chemischen Hauptgleichungen für den Entladevorgang lauten: Pluspol (Kathode): 2NiOOH + 2H 2 O + 2e -> 2Ni(OH) 2 + 2OH Minuspol (Anode): Cd + 2OH -> Cd(OH) 2 + 2e Am Pluspol (jetzt Kathode, also dem Elektronenempfänger) wird das höherwertige Nickel-Oxi-Hydroxid NiOOH (III) bei Elektronenaufnahme und Abgabe von OH- Ionen zum niederwertigeren Nickelhydroxid Ni(OH) 2 (II) reduziert. Am Minuspol (jetzt Anode, also dem Elektronenlieferanten) wird Kadmium unter Elektronenabgabe und Aufnahme von OH-Ionen zu Kadmiumhydroxid Cd(OH) 2 oxidiert. Die an beiden Reaktionen beteiligten Elektronen wandern über den äußeren Stromkreis durch die Last von der negativen zur positiven Elektrode, die OH-Ionen durch den Elektrolyt von der Kathode zur Anode. Der Elektrolyt, in der Regel Kalilauge, liefert Wasser an die Kathode. Die Gesamtreaktion lautet somit: Cd + 2NiOOH + 2H 2 O -> Cd(OH) 2 +2Ni(OH) 2 Elektrolyt Kalilauge besteht aus einer wässrigen, stark ätzenden basischen Lösung von Kaliumhydroxid KOH. Entscheidend für die Akkufunktion ist die Dissoziation von KOH in die Kationen/Anionen K + und OH. Laden von NiCd-Akkus Es werden nur die Hauptgleichungen dargestellt: Pluspol (Anode): 2NiOOH + 2H 2 O + 2e <- 2Ni(OH) 2 + 2OH Minuspol (Kathode): Cd + 2OH <- Cd(OH) 2 + 2e

5 2 NiCd/NiMH-Akkus 23 Am Pluspol (jetzt Anode, also dem Elektronenlieferanten) wird Nickel-Hydroxid Ni(OH) 2 unter Abgabe von Elektronen und Aufnahme von OH-Ionen zu einem höherwertigen Nickel-Oxi-Hydroxid NiOOH oxidiert. Am Minuspol (jetzt Kathode, also dem Elektronenempfänger) wird unter Aufnahme von Elektronen und Abgabe von OH-Ionen Kadmium-Hydroxid Cd(OH) 2 zu Kadmium reduziert. Die an beiden Reaktionen beteiligten Elektronen werden durch das Ladegerät (Stromquelle) von der positiven zur negativen Elektrode transportiert. Zum Ladungsausgleich wandern OH-Ionen von der negativen Elektrode durch den Elektrolyt (Kalilauge) zur positiven Elektrode. Dem Elektrolyt wird aus der positiven Elektrode Wasser zugeführt. Gesamtgleichung: Cd + 2NiOOH + 2H 2 O <- Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 Wie die Gesamtgleichungen zeigen, sind die Vorgänge beim Laden und Entladen des Akkus vollständig umkehrbar zumindest in der Theorie. In der Praxis gibt es, neben Korrosion, weitere unerwünschte chemische Reaktionen. Dies führt dazu, dass die speicher- und anschließend wieder abrufbare Ladungsmenge langsam, aber sicher immer kleiner wird. Am Ende der Lebensdauer des Akkus kann praktisch keine elektrische Energie mehr eingespeichert werden. NiCd-Akkus erreichen eine Lebensdauer von bis über Lade-/Entladezyklen. Hohe Temperatur und/oder hoher Lade-/Entladestrom führt zur geringeren Zyklenzahlen. Geringer oder mittlerer Ladestrom bei normaler Temperatur erlaubt sehr hohe Zyklenzahlen. Aufgrund der hohen Toxizität von Kadmium werden NiCd-Akkus zunehmend von NiMH-Akkus abgelöst. Der Minuspol besteht nicht mehr aus Kadmium, sondern aus einem speziellen Mischmetall, das in der Lage ist, Wasserstoff einzulagern. Diese Form der Wasserstoffspeicherung ist sehr effektiv, wie folgende Tabelle zeigt. Wasserstoffspeicher Druckbehälter (350 bar) ca. 0,5 Metallhydrid (geringer Druck) ca. 1,5 Flüssiger Wasserstoff (-253 C) ca. 2,13 Tabelle 2.2: Speicherkapazität für Wasserstoff Speicherkapazität [kwh/l] Die hohe Speicherkapazität bei flüssigem Wasserstoff wird durch einen energieintensiven Kühl- und Isolationsaufwand erkauft. Die Metallhydridspeicherung hingegen läuft bei geringem Druck als exotherme (Wärme erzeugende, also keine Energie verbrauchende) Reaktion ab. Me + x½h 2 <-> MeH x

6 24 2 NiCd/NiMH-Akkus Als Mischmetall kommen verschiedene Metallverbindungen infrage. Eine erste Gruppe nutzt Nickel mit Beimischungen von Lanthan (Ordnungszahl 57). Weitere Metallbeimischungen erhöhen die elektrochemische Stabilität und sorgen für eine niedrige Selbstentladungsrate. In anderen Fällen wird Nickel mit Titanbeimischungen (und weiteren Metallen) benutzt. Akkus dieser Bauart verfügen über eine etwas höhere Kapazität und sind etwas billiger als Akkus der ersten Gruppe. Dafür ist die Selbstentladungsrate deutlich höher. Bei gleichem Volumen liegt die Speicherkapazität von NiMH-Akkus um rund 50 % über der von NiCd-Akkus. Die chemischen Vorgänge in der Zelle zeigen die nachfolgenden Reaktionsgleichungen. Als Elektrolyt wird wieder Kalilauge verwendet. Im Gegensatz zum NiCd-Akku wird der Elektrolyt aber nur als Transportmedium benötigt. Wasser wird bei den Reaktionen weder entnommen noch zurückgegeben, eine Konzentrationsänderung findet also nicht statt. Entladen von NiMH-Akkus Die Hauptgleichung lautet: Pluspol (Kathode): NiOOH + H 2 O + e -> Ni(OH) 2 + OH Minuspol (Anode): MH + OH -> M + H 2 O + e Am Pluspol (jetzt Kathode, also dem Elektronenempfänger) wird das höherwertige Nickel-Oxi-Hydroxid NiOOH (III) bei Elektronen- und Wasseraufnahme sowie Abgabe von OH-Ionen zum niederwertigeren Nickelhydroxid Ni(OH) 2 (II) reduziert. Am Minuspol (jetzt Anode, also dem Elektronenlieferanten) wird gespeicherter Wasserstoff abgegeben und unter Aufnahme von OH-Ionen und Abgabe von Elektronen zu Wasser. Die an beiden Reaktionen beteiligten Elektronen wandern über den äußeren Stromkreis durch die Last von der negativen zur positiven Elektrode, die OH -Ionen durch den Elektrolyt von der Kathode zur Anode. Die Gesamtreaktion für den Entladevorgang lautet somit: MH + NiOOH -> M + Ni(OH) 2 Neben Wasserstoff tauchen nur noch die beiden Elektrodenmetalle auf eine zumindest theoretisch sehr langlebige Reaktion.

7 2 NiCd/NiMH-Akkus 25 Bild 2.3: Typische Entladekurve eines NiMH-Akkus Die Elektrodenspannung bei der Entladung zeigt typischerweise den in Bild 2.3 gezeigten Verlauf. Der zeitliche Verlauf hängt vom Entladestrom ab, der prinzipielle Verlauf ist davon unabhängig. Laden von NiMH-Akkus Die Hauptreaktionsgleichungen lauten: Pluspol (Anode): NiOOH + H 2 O + e <- Ni(OH) 2 + OH Minuspol (Kathode): MH + OH <- M + H 2 O + e Am Pluspol (jetzt Anode, also dem Elektronenlieferanten) wird Nickel-Hydroxid Ni(OH) 2 unter Abgabe von Elektronen und Aufnahme von OH-Ionen zu einem höherwertigen Nickel-Oxi-Hydroxid NiOOH oxidiert. Am Minuspol (jetzt Kathode, also dem Elektronenempfänger) wird unter Aufnahme von Elektronen und Abgabe von OH-Ionen Wasserstoff im Metall eingelagert. Die an beiden Reaktionen beteiligten Elektronen werden durch das Ladegerät (Stromquelle) von der positiven zur negativen Elektrode transportiert. Zum Ladungsausgleich wandern OH-Ionen von der negativen Elektrode durch den Elektrolyt (Kalilauge) zur positiven Elektrode. Die Gesamtreaktion für den Ladevorgang lautet somit: MH + NiOOH <- M + Ni(OH) 2 Neben dem eingelagerten Wasserstoff tauchen nur noch die beiden Elektrodenmetalle auf eine zumindest theoretisch sehr langlebige Reaktion.

8 26 2 NiCd/NiMH-Akkus Bild 2.4: Typische Ladekurve eines NiMH-Akkus Die Elektrodenspannung bei der Ladung zeigt typischerweise den in Bild 2.4 gezeigten Verlauf. Während der Ladezeit steigt die Klemmenspannung kontinuierlich an. Beim Erreichen der vollen Kapazität beginnt sie zu fallen. Kurz nachdem die Klemmenspannung zu sinken begonnen hat, wird exakt 100 % der Akkukapazität erreicht. Moderne Ladegeräte erkennen diesen Zustand präzise und beenden an diesem Punkt den Ladevorgang. Die Elektrodendifferenzspannung, also die Nennspannung, liegt bei beiden Akkutechnologien bei ca. 1,25 V. Warnung Bei Überladung des Akkus laufen schädliche chemische Prozesse ab, die unter anderem zur Produktion von Sauerstoff im Akku führen, was eine ständige Druckerhöhung bei gleichzeitiger Entladung bewirkt. Im schlimmsten Fall öffnet sich das Druckventil, der Akku ist unbrauchbar geworden. Bei kontinuierlicher Ladung darf deshalb am Ladungsende kein höherer Strom als ca. 1/300 der Nennkapazität zugeführt werden. Beispiel Für einen NiMH-Akku mit 2,000 mah Nennkapazität heißt das, dass nicht mehr als 6 ma Dauerstrom zur Ladungserhaltung fließen dürfen. Genauso wichtig ist es, die minimal zulässige Entladungsschlussspannung nicht zu unterschreiten. Für NiCd-Akkus liegt die untere Grenze bei 0,9 V, bei NiMH-Akkus darf die Elektrodenspannung nicht unter 1,0 V sinken. Bei Ladung und Entladung darf die Temperatur zwischen ca. 0 und 45 C liegen. Die Lebensdauer nimmt aber bereits ab Temperaturen über 25 C ab.

9 2.1 Vor- und Nachteile von NiCd/NiMH-Akkus 27 Am besten werden NiMH-Akkus bei einer Temperatur zwischen 4 und 10 C gelagert. Die Selbstentladungsrate wird dabei minimiert, die Lebensdauer maximiert. Für eine möglichst effiziente Stromabgabe eines Akkus ist unter anderem der Akku- Innenwiderstand von Bedeutung. Neben der Leitfähigkeit der Elektroden bestimmt vor allem die des Elektrolyten den Innenwiderstand des Akkus. Der Innenwiderstand sollte bei hohem Strombedarf möglichst klein sein, sonst geht im Betrieb einfach zu viel gespeicherte Energie bereits im Akkuinneren verloren. Die Temperatur des Akkus steigt in diesem Fall auch deutlich an (bis über 60 C), was die Akkulebensdauer drastisch verkürzt. Für hohen Strombedarf können nur Akkus mit möglichst geringem Innenwiderstand eingesetzt werden. Für mittleren und geringen Strombedarf eignen sich auch Akkus mit höherem Innenwiderstand. In Kap. 2.7 erfahren Sie mehr zu diesem Thema. 2.1 Vor- und Nachteile von NiCd/NiMH-Akkus Seit dem Verkaufsverbot von Akkus in NiCd-Technologie besteht keine Wahlmöglichkeit mehr. Akkus mit einer Standardspannung von 1,25 V und in einer der Standardgrößen sind nur noch in NiMH-Technologie erhältlich. Viele Modellbaufreunde verfügen jedoch noch über eine größere Anzahl von NiCd-Akkus. Nachfolgende Tabelle zeigt deshalb die wesentlichen Qualitätsparameter der beiden Technologien im Vergleich. Parameter NiCd-Akku NiMH-Akku Energiedichte (Gewicht pro Ah) Standard Besser Innenwiderstand Besser Standard Hochstromfähigkeit Besser Standard Schnellladefähigkeit Besser Standard Maximal zulässige Ladezyklen Besser Standard Selbstentladungsrate Besser Standard Memory-Effekt Standard Besser Tabelle 2.3: Gegenüberstellung von NiCd- und NiMH-Akkus Zusammengefasst sind NiCd-Akkus besser für Hochstromanwendungen geeignet und besitzen eine deutlich höhere Lebensdauer. Für den Modellbauer bedeutet das, dass er für den künftigen Einsatz von NiMH-Akkus seine Leistungselektronik (Antriebsmoto-

10 28 2 NiCd/NiMH-Akkus ren) auf höhere Betriebsspannung und damit entsprechend niedrigeren Strombedarf umstellen sollte. Beide Technologien leiden unter dem Memory-Effekt. Darunter ist Folgendes zu verstehen: Memory-Effekt Wird der Akku nicht vollständig entladen, bevor er wieder aufgeladen wird, reduziert sich die verfügbare Kapazität. Die resultierende Kapazitätsreduktion ist bei NiCd größer als bei NiMH. Vollständig entladen ist ein NiCd-Akku, wenn die Elektrodenspannung auf 0,9 V gesunken ist. NiMH-Akkus gelten dann als entladen, wenn die Elektrodenspannung auf 1 V abgesunken ist. Wird bei NiMH-Akkus vor einem Ladezyklus nur ein Teil der verfügbaren Ladung abgerufen, reduziert sich nach 20 Zyklen die verfügbare Leistung gegenüber der Nennkapazität des neuen Akkus um rund 12 %. Unter gleichen Bedingungen liegt der Kapazitätsrückgang bei NiCd-Akkus bei gut 20 %. Für beide Technologien gilt: Der Memory-Effekt kann durch geeignete Refresh- Zyklen (Genaueres in Kap. 2.11) wieder rückgängig gemacht werden. Infolge standardisierter Spannungen und Größen werden NiMH-Akkus in sehr großen Stückzahlen hergestellt. Das wiederum führt zu geringen Preisen. Bei gleichem Energieinhalt sind NiMH-Akkus um gut 50 % kostengünstiger als energiegleiche Li-Ion-Akkus. Deshalb ist es in der Regel auf Dauer günstiger, mp3-/multimediaplayer und Digitalkameras auszuwählen, die nicht mit Li-Ion-, sondern mit NiMH-Standardakkus ausgestattet sind. Der Einsatz von Akkus in Standardbaugröße hat den zusätzlichen Vorteil, dass im Outback, fern jeder Lademöglichkeit, zur Not auch Standardbatterien als Ersatz verwendet werden können. Standardspannung und -größe von NiMH-Akkus haben außerdem den Vorteil, dass es von vielen Herstellern unterschiedlich leistungsfähige Ladegeräte gibt. Auch hier führen die hohen Stückzahlen zu preisgünstigen Geräten. Akkuherstellerspezifische Ladegeräte sind weder üblich noch notwendig. Bei Li-Ion-Akkus sieht das ganz anders aus (siehe Kap. 3.2). Eine Ausnahme sind sogenannte Akkupacks. Dabei werden mehrere Standard-NiMH- Akkus elektrisch und mechanisch untrennbar miteinander verbunden. Ist ein solcher Akkupack fest in ein Gerät eingebaut (z. B. Elektrowerkzeug), kann die Ladung nur mit dem mitgelieferten Netzteil durchgeführt werden. Im Modellbau verwendete Akkupacks

11 2.2 Richtige Verwendung von NiCd/NiMH-Akkus 29 kann man allerdings entnehmen und deshalb mit jedem für Akkupacks geeigneten Ladegerät aufladen. 2.2 Richtige Verwendung von NiCd/NiMH-Akkus Die erzielbare Zyklenzahl eines Akkus hängt entscheidend davon ab, wie der Akku behandelt wird. Falscher Umgang kann den Akku innerhalb kürzester Frist zerstören. Pfleglicher Umgang kann einem NiMH-Akku zu einer Zyklenzahl von und mehr verhelfen. Für einen NiMH-Akku ist es ideal, wenn er möglichst gleichmäßig beschäftigt wird. Er sollte weder über- noch unterfordert werden. Geringe Strombelastung (geringer Lade- und Entladestrom) fördert das Kristallwachstum auf den Elektroden. Der Akku-Innenwiderstand wird damit vergrößert. Schädliche chemische Reaktionen im Akku finden kaum statt. Damit bleibt die Selbstentladungsrate erfreulich gering. Der höhere Innenwiderstand macht sich bei geringer Stromentnahme auch nicht störend bemerkbar. Die Lebensdauer dieses Akkus ist hoch (etwa 300 bis 500 Ladezyklen). Hohe Strombelastung (hoher Lade- und Entladestrom) unterdrücken das Kristallwachstum auf den Elektroden. Der Akku-Innenwiderstand bleibt somit klein. Die erhöhte Temperatur bei Ladung und Entladung fördert aber schädliche chemische Reaktionen im Akku. Damit erhöht sich die Selbstentladungsrate deutlich. Der geringe Innenwiderstand erlaubt über die gesamte Lebensdauer des Akkus eine hohe Stromentnahme. Die Lebensdauer dieses Akkus ist gering (etwa 10 bis 300 Ladezyklen). Günstig ist für den Akku eine mittlere Strombelastung. Kristallwachstum findet kaum statt und der Innenwiderstand bleibt darum erfreulich klein. Eine Temperaturerhöhung des Akkus beim Laden oder Entladen findet auch nicht statt. Schädliche Reaktionen im Akku, die die Selbstentladungsrate verschlechtern würden, treten kaum auf. Die Lebensdauer dieses Akkus ist deshalb sehr hoch (etwa 500 bis Ladezyklen). Bezüglich der Selbstentladungsrate gilt: Nach dem Laden verliert der Akku in kurzer Zeit 10 % seiner Kapazität. Anschließend verringert sich die Kapazität um jeweils 10 % pro Monat. Nach spätestens 9 Monaten hat sich der Akku also vollständig entladen. Neuerdings gibt es NiMH-Akkus mit verringerter Selbstentladungsrate innerhalb von 12 Monaten soll die Kapazität um nicht mehr als etwa 20 % abnehmen. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass weder beim Laden noch beim Entladen hohe Ströme fließen und die Lagerung bei Temperaturen zwischen 4 und 10 C erfolgt.

12 30 2 NiCd/NiMH-Akkus In jedem Fall sollte die für den vorliegenden Strombelastungsfall geeignete Akkukapazität gewählt werden. Nutzung bei niedrigem Stromverbrauch (bis 10 ma) Dies würde keinen Sinn machen, da sich der Akku eher selbst entlädt, als dass er durch den Verbraucher entladen würde. Beispiel Bei einem Verbrauch von 10 ma liege die durchschnittliche Nutzungsdauer bei 20 Stunden pro Monat. Im Monat werden also 200 mah verbraucht. Würde man in diesem Fall einen normalen NiMH-Akku mit mah Kapazität verwenden, würde der Akku rein rechnerisch infolge der Selbstentladung mehr als 200 mah pro Monat verlieren. Das wäre praktisch genauso viel, wie durch den eigentlichen Nutzverbrauch verloren geht. Letztlich könnte so nur die Hälfte der Akkukapazität genutzt werden. Besser wäre es in diesem Fall, einen Akku mit einer Kapazität von mah zu verwenden. Dieser verliert durch die Selbstentladung pro Monat etwa 100 mah. So würden wenigstens zwei Drittel der Akkukapazität genutzt. Noch besser wäre die Verwendung eines Akkus mit verringerter Selbstentladung. Diese speziellen NiMH-Akkus gibt es von immer mehr Anbietern. Sie zeichnen sich durch eine sehr niedrige Selbstentladungsrate aus. Nach 12 Monaten Lagerzeit stehen noch immer 80 bis 85 % der Nennkapazität zur Verfügung. Auch bei einer Akkukapazität von mah werden also, trotz des geringen Stromverbrauchs, rund 80 % der Akkukapazität genutzt. Bei einer Akkukapazität von mah wären es schließlich bereits 90 % Nutzungsgrad. Merkregel Wird ein NiMH-Akku bei geringer Strombelastung (10 ma) betrieben, sollte die Kapazität nicht höher als mah sein oder es sollte ein Akku mit verringerter Selbstentladungsrate zum Einsatz kommen. Liegt der Stromverbrauch deutlich unter 10 ma, ergibt der Einsatz von NiMH-Akkus überhaupt keinen Sinn mehr. Wenn es schon Akkus sein müssen, kommen nur RAM- Zellen infrage (Kap. 5.1). Deren Selbstentladungsrate ist um ein Mehrfaches geringer als die von NiMH-Akkus. Am kostengünstigsten sind Alkali-Mangan-Batterien. Typische Einsatzfälle hierfür sind Fernbedienungen für TV- und Hi-Fi-Geräte. Im Idealfall wird der Akku mit der gleichen Stromhöhe geladen, die ihm auch entnommen wird. Im vorliegenden Fall niedriger Strombelastung sollte der Akku aber immer mit mindestens einem Zehntel seiner Nennkapazität geladen werden. Zusätzlich sollte spätestens nach jedem zehnten Ladezyklus ein Refresh-Zyklus (Kap. 2.11) eingeschoben werden.

13 2.2 Richtige Verwendung von NiCd/NiMH-Akkus 31 Nutzung bei hohem Stromverbrauch (bis 1 A und darüber) Bei hohem Stromverbrauch liegen die Verhältnisse anders. Die Kapazität des Akkus sollte so gewählt werden, dass sie mindestens beim Doppelten des Stromverbrauchs liegt. Unter diesen Voraussetzungen kann noch mit mindestens 100 Ladezyklen gerechnet werden. Bei höherer Strombelastung (z. B. Kapazität gleich Stromverbrauch) sinkt die Zahl der Ladezyklen auf rund 10 ab. Beispiel Liegt der Stromverbrauch bei 1 A, sollte die Akkukapazität bei mindestens mah liegen. Grundsätzlich sollte bei hohem Stromverbrauch ein NiMH-Akku mit der höchsten aktuell erhältlichen Kapazität gewählt werden. Das kommt in jedem Fall der Akkulebenszeit zugute. Der hohe Betriebsstrom führt zu erhöhter Akkutemperatur. Diese ist hauptverantwortlich für die Verringerung der Zyklenzahl. Deshalb sollten diese Akkus zumindest beim Laden nicht ebenfalls über das notwendige Maß hinaus thermisch belastet werden. Am besten laden Sie deshalb NiMH-Akkus in Hochstromanwendungen mit einem Ladestrom, der bei einem Viertel der Kapazität liegt. Beispiel Wenn Sie einen Akku mit mah in einer Hochstromanwendung einsetzen, liegt der optimale Ladestrom bei etwa 500 ma. Anmerkung für Modellbauanwender: NiCd-Akkus gab es auch in spezieller hochstromfähiger Ausführung. Die gepulste Stromentnahme konnte dabei bis zum Fünffachen der Akkukapazität gehen, der Ladestrom bis zum Wert der Kapazität. Ein Hochstrom- NiCd-Akku mit mah kann also gepulst bis 20 A Entladestrom und 4 A Ladestrom verkraften. Bei diesen Akkus sind Lötanschlüsse ein Muss. Nutzung bei mittlerem Stromverbrauch (bis 100 ma) In dieser Gruppe fühlt sich ein NiMH-Akku besonders wohl praktisch unabhängig davon, welche Kapazität er besitzt. Honoriert wird dieser Einsatz mit einer Zyklenzahl bis zu Beim Laden sollte der Strom bei 200 ma liegen. Das verhindert eine schädliche Erhöhung des Innenwiderstands und führt trotzdem nicht zu einer Erhöhung der Selbstentladungsrate.

14 32 2 NiCd/NiMH-Akkus Merkregel NiMH-Akkus sollten sofort nach dem Kauf in eine der beiden Nutzungsgruppen»niedriger Stromverbrauch«beziehungsweise»hoher Stromverbrauch«eingeordnet werden und dort jeweils bis zum Nutzungsende verbleiben. So erzielen Sie die jeweils höchstmögliche Akkulebensdauer. Lediglich Akkus, die bei mittlerem Stromverbrauch (100 ma) genutzt werden, können gegebenenfalls auch später noch in eine der beiden anderen Gruppen eingeordnet werden. Dort müssen sie dann allerdings verbleiben. Ein Zurück gibt es dann nicht mehr. Würden Sie einen Akku aus der Gruppe»niedriger Stromverbrauch«in die Gruppe»hoher Stromverbrauch«versetzen, hätte der Akku zwar eine erfreulich geringe Selbstentladungsrate, aber einen für diese Anwendung unangenehm hohen Innenwiderstand. Dieser würde dazu führen, dass der Verbraucher sehr bald den Betrieb einstellen würde, da die Klemmenspannung schnell auf unter 1 V abgefallen wäre, obwohl der Akku noch über eine erhebliche Restkapazität verfügt. Der hohe Verbrauchs- und Ladestrom würde den Akku vollends ruinieren und die Selbstentladungsrate erhöhen. So wäre dieser Akku auch in der Gruppe»niedriger Stromverbrauch«nicht mehr brauchbar. Lagerung Reine Lagerperioden mag ein NiMH-Akku nicht. Wenn es aber dann doch sein muss, beachten Sie folgende Regeln. Merkregel Akku vollständig entladen Akku vollständig laden Akku zu 50 % entladen Akku im Kühlschrank bei Temperaturen zwischen 4 und 10 C lagern Auch die wertvollen NiCd-Akkus sollten immer im Kühlschrank (nicht im Gefrierfach) gelagert werden. 2.3 Bauformen von NiCd/NiMH-Akkus Ein großer Vorteil von NiCd- und NiMH-Akkus ist, dass die Elektrodenspannung bei ca. 1,25 V liegt und damit den 1,5 V der seit jeher verwendeten Batterien mit Zink- Kohle-Elektroden nahekommt. Im Lauf der Zeit wurden tragbare Elektronikgeräte so konstruiert, dass sie problemlos sowohl mit den 1,5-V-Batterien als auch mit den 1,25- V-Akkus betrieben werden konnten. Die international genormten Bauformen der beiden Bauteile sind identisch.