NiMH-Akkus » Bewährte Stromspeicher mit Nickel-Metallhydrid
Veröffentlicht: 23.10.2023 | Lesedauer: 7 Minuten
Viele Elektrokleingeräte für den mobilen Einsatz sind ab Werk mit einem Batteriefach ausgestattet. Die absoluten Klassiker in diesem Bereich sind Taschenlampen, die es in den unterschiedlichsten Ausführungen und Größen gibt. Aber auch schnurlose Tastaturen und Computermäuse, Funkgeräte oder Modellbau-Fernsteuersender werden gerne mit Batterien betrieben.
Sobald die Geräte jedoch öfter oder langandauernd genutzt werden, sind Batterien weder wirtschaftlich sinnvoll noch ökologisch vertretbar. In diesem Fall sind aufladbare Akkus die weitaus bessere Alternative.
Lange Jahre waren Akkus mit Nickel-Cadmium-Technologie (NiCd) der ideale Batterieersatz. Allerdings hat die EU den Einsatz dieser Akkus wegen des giftigen Schwermetalls Cadmium flächendeckend eingeschränkt, sodass NiCd-Zellen nur noch für einige wenige Anwendungen zulässig sind.
Als Ersatz dienen nun Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH), die weniger umweltschädlich sind und zudem auch noch mehr Leistung zur Verfügung stellen. Gerne erklären wir Ihnen die NiMH Akku-Technologie genauer und verraten dabei noch einige Insider-Informationen.
Die Abkürzung NiMH steht für Nickel-Metallhydrid und bezieht sich auf die verwendeten Elektrodenmaterialien. Wobei der Begriff Metallhydrid eine Verbindung aus Metallen und Wasserstoff beschreibt. Bereits in den 1960er Jahren wurde das Prinzip der umkehrbaren Speicherung von Wasserstoff in einer speziellen Metalllegierung entwickelt. Die darauf basierenden Nickel-Metallhydrid-Akkus sind bereits seit 2006 auf dem Markt. Auch wenn eine NiMH-Zelle eine deutlich höhere Energiedichte und längere Lebensdauer als ein NiCd-Akku aufweist, erreicht er nicht das Leistungsniveau eines Lithium-Ionenakkus.
Allerdings haben NiMH-Akkus einen entscheidenden Vorteil: Sie reagieren bei Weitem nicht so empfindlich auf Überladung und Tiefentladung wie beispielsweise ein Lithium-Akku. Zudem liegt die NiMH-Zellenspannung mit 1,2 Volt annähernd auf dem Niveau einer Batterie, die eine elektrische Spannung von 1,5 Volt pro Zelle aufweist. Auch wenn Batterien eine etwas höhere Spannung haben, können die meisten Geräte anstelle von Batterien auch mit wiederaufladbaren NiMH-Akkus betrieben werden. Darum sind Ni-MH Akkus der perfekte Batterieersatz.
Das ist zudem der Grund, warum diese Akkus größtenteils in den klassischen Bauformen von Batterien (siehe auch Titelbild) angeboten werden. Es gibt die Akkus aber auch in Sonderbauformen und teilweise mit Lötfahnen zum fest verdrahteten Anschluss in elektronische Schaltungen.
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Im ersten Moment könnte man meinen, dass der Spannungsunterschied zwischen NiMH-Akkus mit 1,2 Volt pro Zelle und Batterien mit 1,5 Volt pro Zelle nicht so groß ist. Schließlich beträgt die Differenz lediglich 0,3 Volt. Wenn der Unterschied aber prozentual betrachtet wird, hat ein NiMH-Akku exakt 20% weniger Zellspannung, als eine Batterie. Vereinzelt kann das bei Geräten, die empfindlich auf eine zu geringe Betriebsspannung reagieren, zu Problemen führen. In diesem Fall helfen Nickel-Zink-Akkus weiter, die wiederaufladbar sind und eine Spannung von 1,6 Volt pro Zelle aufweisen. Die Akkus gibt es in unterschiedlichen Baugrößen, wie beispielsweise Mignon oder Micro.
Ein Akku mit NiMH-Technologie ist wie die meisten Akkus aufgebaut. In einem Behälter befinden sich zwei Elektroden, die durch einen Separator (z.B. Polyolefin) elektrisch voneinander getrennt sind. Die Elektroden selbst bestehen aus einem Trägergitter, auf dem die aktive Elektrodenmasse aufgebracht ist.
Die negative Elektrode eines NiMH-Akkus besteht aus einer Nickellegierung, die in der Lage ist, Wasserstoff zu speichern.
Die Materialzusammensetzung an der positiven Elektrode ist vom Ladezustand des Akkus abhängig. Wenn der Akku geladen ist, besteht die positive Elektrode aus Nickel(III)Oxyhydrat. Wenn der Akku entladen ist, besteht die Elektrode aus Nickelhydroxid.
Die Größe der negativen Elektrode bestimmt dabei die Kapazität der Zelle und somit die Menge der elektrischen Energie, die gespeichert werden kann. Die negative Elektrode ist deutlich größer als die positive Elektrode ausgelegt, damit auch am Ende des Entladevorgangs noch ausreichend Wasserstoff vorhanden ist, der oxidiert werden kann und nicht das Metall oxidiert wird.
Als Elektrolyt dient eine 20% Kalilauge (KOH), die einen ph-Wert von 14 aufweist.
1) Positive Elektrode | 2) Negative Elektrode | 3) Separator | 4) Anschlussplatte Minuspol | 5) Anschlussplatte Pluspol | 6) Dichtungsring | 7) Kappe Pluspol | 8) Überdruckventil mit Spiralfeder | 9) Innenraum mit Elektrolyt
Wie bei allen Akkus wird auch bei einem NiMH-Akku während des Ladevorgangs elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Beim Entladen entsteht aus der chemischen Energie wieder elektrische Energie. Dazu spielen sich innerhalb der Zelle bestimmte Prozesse ab, auf die wir etwas genauer eingehen wollen.
Ladevorgang
Durch das Anlegen der Ladespannung werden am Pluspol des Akkus negativ geladene Elektronen abgezogen und dem Minuspol des Akkus zur Verfügung gestellt.
Im entladenen Zustand besteht die positive Elektrode aus Nickel(II)Hydroxid. Durch die Abgabe von Elektronen oxidiert die positive Elektrode zu Nickel(III)Oxyhydrat.
Dazu nimmt die Elektrode Hydroxid-Ionen aus dem Elektrolyt auf und gibt Wasser an den Elektrolyt ab.
An der negativen Elektrode wird unter Aufnahme von Elektronen das Wasser in Wasserstoff und Hydroxid-Ionen zerlegt, wobei der Wasserstoff von der Elektrode aufgenommen und in die Struktur eingelagert wird.
Positive Elektrode: Ni(OH)2 + OH- → NiO(OH) + H2O + e-
Negative Elektrode: M + H2O + e- → M(H) + OH-
Ni(OH)2 = Nickel(II)Hydroxid
NiO(OH) = Nickel(III)Oxyhydrat
OH- = Hydroxid-Ion
H2O = Wasser
e- = Elektron
M = Elementares Metall (Nickellegierung)
M(H) = Mit Wasserstoff angereichertes Metall
Hinweis:
Das beim Laden von der positiven Elektrode erzeugte Wasser wird von der negativen Elektrode wieder zerlegt. Im Gegensatz dazu werden die Hydroxid-Ionen, die an der negativen Elektrode entstehen, von der positiven Elektrode aufgenommen. Demzufolge findet beim Laden keine Konzentrationsveränderung innerhalb des Elektrolyten statt.
Entladevorgang
Wenn die beiden Elektroden über einen externen Stromkreis verbunden werden, wandern die Elektronen vom Minuspol über den Verbraucher zum Pluspol.
Die chemischen Abläufe innerhalb des Akkus sind nun genau entgegengesetzt zum Ladevorgang.
Die negative Elektrode nimmt Hydroxid-Ionen auf und erzeugt mit dem Wasserstoff, der in der Elektrode eingelagert ist, Wassermoleküle. Die dabei freiwerdenden Elektronen werden an den Stromkreis abgegeben.
An der positiven Elektrode reduzieren die über den Stromkreis kommenden Elektronen das Nickel(III)Oxyhydrat zurück zu Nickel(II)Hydroxid. Dazu wird Wasser aus dem Elektrolyt aufgenommen und Hydroxid-Ionen an den Elektrolyt abgegeben.
Negative Elektrode: M(H) + OH- → M + H2O + e-
Positive Elektrode: NiO(OH) + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-
Hinweis:
Das beim Entladen von der negativen Elektrode erzeugte Wasser wird von der positiven Elektrode wieder zerlegt. Im Gegensatz dazu werden die Hydroxid-Ionen, die an der positiven Elektrode entstehen, von der negativen Elektrode aufgenommen. Deshalb findet auch beim Entladen keine Konzentrationsveränderung innerhalb des Elektrolyten statt.
Wie bereits erwähnt, dienen wiederaufladbare NiMH-Akkus in idealer Weise als ökologisch sinnvoller Ersatz für Batterien. Allerdings ist nicht jedes mobile Gerät, das mit Batterien betrieben wird, auch für Akkus geeignet. Wobei es nun nicht um die etwas geringere Zellspannung der Akkus geht. Vielmehr geht es um den Strombedarf und um die Einsatzhäufigkeit.
Hier einige Beispiele:
Die Fernbedienung für einen Smart-TV beispielsweise wird meistens mit Batterien der Größe Mignon oder Micro betrieben. Werden hier hochwertige Batterien eingesetzt, funktionieren diese über mehrere Monate, da der Stromverbrauch extrem gering ist. Ein herkömmlicher NiMH-Akku (ohne LSD-Technik) müsste in dieser Zeit mehrmals entnommen und nachgeladen werden, da die Selbstentladung bei NiMH Stromspeichern um ein Vielfaches höher ist, als der tatsächliche Stromverbrauch der Fernbedineung.
Eine Notfall-Taschenlampe, die bei Stromausfall griffbereit ist und in der Dunkelheit den Weg zum Sicherungskasten ausleuchtet, sollte hochwertige Batterien enthalten. Die Taschenlampen eines Sicherungsdienstes, die jede Nacht für mehrere Stunden zuverlässig funktionieren müssen, können mit NiMH-Akkus betrieben werden.
Richtige Akkupflege
Jeder Akku ist nur so gut wie seine Pflege. Das trifft besonders bei NiMH-Akkus zu. Denn die richtige Akkupflege beginnt bereits unmittelbar nach dem Kauf. Damit ein NiMH-Akku seine volle Leistungsfähigkeit entfalten kann, muss er zunächst mehrere Male aufgeladen und entladen werden. Fachleute sprechen in diesem Fall von einer Formierung des Akkus.
Hochwertige Ladegeräte haben für die Formierung eine separate Ladeprogramm-Einstellung und können das automatisch übernehmen. Im Gegensatz zu Blei-Akkus oder Lithium-Akkus, die es nicht gut vertragen, tief entladen zu werden, sollten NiMh-Akkus erst dann geladen werden, wenn sie leer sind. Deshalb bieten viele Ladegeräte die Funktion „Entladen/Laden“ an, damit auch nur zum Teil entladene Akkus wieder voll aufgeladen werden können.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Selbstentladung. Diese ist bei Akkus mit höherer Kapazität am größten und kann am ersten Tag rund 5 bis 10% betragen, bevor sie sich bei Zimmertemperatur auf ca. 0,5% pro Tag einpendelt.
Darum sollten NiMH-Akkus vorzugsweise erst unmittelbar vor dem Einsatz geladen werden.
Das Problem ist auch bei den Herstellern bekannt und darum wurden LSD (Low Self Discharge) NiMh-Akkus entwickelt, die eine deutlich geringere Selbstentladung haben.
Diese Akkus werden je nach Hersteller oft mit dem Zusatz „Ready to use“ oder „Always Ready“ angeboten.
Unser Praxistipp: NiMH-Akkus in Schnurlostelefonen
Schnurlose DECT-Telefone sind ebenfalls oft mit NiMH-Akkus bestückt. Wenn die Mobilteile den ganzen Tag in der Ladeschale verbringen und nach jedem Telefonat sofort wieder nachgeladen werden, leiden die Akkus ebenfalls. Besser ist es, das Telefon erst dann in die Ladestation zu legen, wenn der Akku leer oder fast leer ist. Zu diesem Zweck kann bei den meisten Telefonen der aktuelle Ladezustand des Akkus im Display abgelesen werden.
Was ist der Memory-Effekt?
Der Memory-Effekt tritt ein, wenn ein Akku ständig nur zu einem geringen Teil entladen und dann gleich wieder aufgeladen wird. Wenn dieser Akku dann komplett entladen wird, kann er bei Laden ebenfalls nur einen sehr geringen Teil der möglichen Ladekapazität aufnehmen. Der Effekt tritt aber lediglich bei Akkus mit NiCd Technologie auf. Bei NiMH-Akkus gibt es eine ähnliche Erscheinung, die als Batterie-Trägheitseffekt oder als Lazy-Battery-Effect bezeichnet wird. Allerdings ist der Effekt bei NiMH nicht so stark ausgeprägt, wie bei NiCd und kann durch mehrmaliges Laden und Entladen leicht beseitigt werden.
Können NiMH-Akkus auch mit NiCd-Ladegeräten geladen werden?
Es ist nicht empfehlenswert, alte Ladegeräte, die lediglich für NiCd-Akkus ausgelegt sind, auch für Nickel-Metallhydrid-Akkus zu verwenden. Besonders dann, wenn die Ladegeräte schnellladefähig sind und hohe Ladeströme zur Verfügung stellen. Denn der Spannungsrückgang am Ende der Ladekurve (-∆U), der zur Erkennung eines vollgeladenen Akkus dient, ist bei der NiMH-Technologie nicht so hoch bzw. so stark ausgeprägt. Besser ist es ein spezielles Ladegerät zu verwenden, das explizit für NiMH-Akkumulatoren ausgelegt ist.
Was bedeutet der Aufdruck 2000 mAh?
Die Angabe mAh steht für Milliampere pro Stunde und gibt die Kapazität des Akkus an. In diesem Fall wäre ein Akku mit 2000 mAh in der Lage, einen Strom von 200 mA 10 Stunden lang abzugeben.
Wieso erreicht der Akku nicht die aufgedruckte Kapazität?
Ladegeräte mit Kapazitätsanzeige können die eingeladene oder entnommene Kapazität verhältnismäßig genau anzeigen. Allerdings beziehen sich die Kapazitätsangaben, die in den technischen Datenblättern stehen bzw. auf dem Akku aufgedruckt sind, immer auf Werte, die im Labor und unter optimalen Bedingungen gemessen wurden. Deshalb sind die technischen Angaben entsprechend hoch. Die Entladedauer dabei beträgt rund 10 Stunden, wobei der Entladestrom an die Entladezeit angepasst ist. Bei höheren Strömen und den damit verbundenen kürzeren Lade- und Entladezeiten sinkt auch die nutzbare Kapazität des Akkus.
Was zeichnet die Qualität eines Akkus aus?
Wiederaufladbare Batterien bzw. Akkus gibt es in den unterschiedlichsten Preisklassen. Dabei ist nicht immer eine hohe Kapazität entscheidend. Denn die wird oft auf Kosten des Innenwiderstandes erzielt. Hochwertige Akkus haben gute Kapazitätswerte und einen geringen Innenwiderstand, wodurch auch bei höheren Strömen die Spannung des Akkus nicht absinkt oder zusammenbricht.