Ein Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) ist ein Akkumulator, der baugleich zu handelsüblichen Batterien hergestellt wird. Die meisten elektrischen Geräte sind so ausgelegt, dass sie auch mit fast leeren Batterien (1V unter Last) funktionieren. Sie lassen sich deswegen mit nahezu allen 1,2 bzw. 1,5 V Batterietypen betreiben, da der Spannungsverlauf unter Last (= tatsächliche Spannung, wenn Gerät in Betrieb!) im Schnitt bei 1,2 V (+/- 0,3 V) liegt (siehe Weblink "Direktvergleich"). Nur bei sehr wenigen Anwendungen (Beispiel: Luxeon5 LED direkt betrieben mit 6 x 1,2 V NiMH) müssen die Herstellerempfehlungen unbedingt eingehalten werden. Grund hierfür ist der sogenannte innere Widerstand, der im Vergleich zu Alkaline- und Kohle-Zink-Batterien deutlich niedriger ausfällt. Niedrigohmige NiMHs können im Gegensatz zu Zink-Kohle-Batterien ihre gespeicherte Energie innerhalb kurzer Zeit ohne großen Spannungseinbruch abgeben.
NiMH-Akkus bieten im Vergleich zu NiCd-Akkus bei gleicher Spannung ungefähr die doppelte Energiedichte. Die Lebensdauer ist bei sachgemäßer Behandlung mit ca. 500 Ladezyklen etwas geringer als die eines NiCd-Akkus. Bei einmaligem Laden pro Woche ergibt sich trotzdem eine Lebensdauer von etwa zehn Jahren.
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. (Davon ausgenommen sind Modelle zur Verwendung in schnurlosen Elektrowerkzeugen, in Alarm- und Notbeleuchtungssystemen, in medizinischen Geräten und für industrielle und motorgetriebene Anwendungen. Grund hierfür ist, dass die Leistungsfähigkeit sowie Haltbarkeit der Metallhydrid-Technologie nicht an die der Ni-Cad heranreicht. Stand 2005)
Aufbau
Das Bild rechts zeigt die Komponenten eines geöffneten NiMH-Akkus. Die Lochfolie (links) dient als Träger für das Metallhydrid-Pulver, das 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 (siehe auch Metallhydrid). Als Metall-Legierung wird zum Beispiel La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1 verwendet. Der Elektrolyt enthält 20%ige Kalilauge mit einem pH-Wert von 14. Nickelhydroxid bildet die Kathode.
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 ca. 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 2600 mAh sind für die Baugröße AA erhältlich, für die Größe AAA gibt es Akkus mit bis zu 1000 mAh (Stand 2006). Zellen lassen sich ca. 500 Mal wieder aufladen.
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 und Tiefentladung mit Umpolung (u. a. schon möglich bei in Reihe geschalteten Zellen >=2). Dadurch altern sie überdurchschnittlich schnell. Dies 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. Erhöht werden kann die Lebensdauer (engl. "cycle life"), indem beim Aufladen bzw. Entladen nicht die Grenzen der chemischen Reaktion erreicht werden, siehe Elektroauto Prius & Duracell TechBull.
Typischer Spannungsverlauf eines neuen Marken-NiMH-Akkus Größe AA bei ca. 1,1 Ohm Last.
Datei:Sanyo 23Ah after 8month.gif
Spannungsverlauf des selben Akkus nach einigen Monaten in Gebrauch. (Untypisch, aber in der Praxis nicht unmöglich -> Verwendbarkeit eingeschränkt) Belastung wiederum ca. 1,1 Ohm. Zu sehen ist ein Sinken der Spannung unter Last sowie ein Schwund der Kapazität. In diesem Fall ist die Leistungsfähigkeit (W/h) insgesamt um ca. 15% gesunken. Auch die Selbstentladung kann steigen.
Dies ist eine irreversible Alterung und der Hauptgrund dafür, dass einige spannungssensible Geräte, besonders Digitalkameras, teilweise bereits nach wenigen (unter 50) Aufladungen eine erhebliche Verringerung der Laufzeit aufweisen können.
Obwohl manche Geräte "Batterien leer" melden, bleibt oft ungenützte Energie im Akku zurück. Erschwerend kommt der Memory-Effekt der NiMHs hinzu, siehe Weblinks.
Um diese Alterung festzustellen und dem Memory-Effekt vorzubeugen, benötigt es Geräte, die eine sogenannte (Rest-)Kapazitätsanalyse ermöglichen. Mit einfachen Kapazitätsmessgeräten entlarvt man immerhin einen geschwächten Akkupack. Schneller, bequemer und genauer lassen sich schwache Zellen mit Hilfe von Geräten ermitteln, die den sogenannten inneren Widerstand R(i) einzelner Zellen ermitteln können. Bei verbrauchten Zellen steigt dieser an.
Aufladung
Siehe Ladeverfahren.
Verwendung
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 jeweils 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 wiegt die Batterie 53,3 kg.
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
- Fotoapparate und Videokameras
- Elektrische Werkzeuge wie Bohrmaschinen
NiMH-Akkus sind auch gebräuchlich als Stromspeicher in Notbeleuchtungsanlagen.
Das Hubble-Weltraumteleskop verwendet ebenfalls NiMH-Batterien zur Stromversorgung und Speicherung von Solarstrom.
Weblinks
- Beschreibung der NiMH-Technik vom Fraunhofer-Institut für chemische Technologie
- Beschreibung der NiMH-Technik von Panasonic (Englisch)
- Battery Usage (...) of Toyota Prius; National Renewable Energy Laboratory, US Department of Energy; 2001 (Englisch)
- Empfohlene Lademethoden von Panasonic (Englisch)
- Empfohlene Lademethoden & Beschreibung des Memory-Effektes bei NiMH von Duracell (Englisch)
- Empfohlene Lademethoden & Beschreibung des Memory-Effektes sowie Auswirkungen niedriger Umgebungstemperaturen (Ambient Temperature) bei NiMH von Sanyo (Englisch)
- typ. Spannungsverlauf: NiMH-Akkus im Direktvergleich mit Alkaline-, Kohle-Zink-, Lithium-1,5V-Primärbatterien erstellt von Dr. Rolf Zinniker
- 2005: Marktreife einer weiterentwickelten NiMH-Technologie mit drastisch verringerter Selbstentladung. Sanyo Modell: HR-3UTG und Panasonic HHR-3MPS entwickelt für den "Wenignutzer" (Englisch)