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 funktionieren. Deshalb lassen sie sich auch mit Akkus betreiben, die nur eine Spannung von 1,2 V liefern -- 0,3 V weniger als eine normale Batterie.
NiMH-Akkus werden mittelfristig Akkus auf der Basis von Nickel-Cadmium verdrängen. Sie besitzen die doppelte Energiedichte, fast die gleiche Spannung, mit ca. 500 Ladezyklen eine ausreichend lange Lebensdauer und funktionieren ohne giftiges Cadmium.
Aufbau
Das Bild rechts zeigt die Komponenten eines geöffneten NiMH-Akkus. Die Lochfolie (links) dient als Träger für das Metallhydrid-Pulver. Das Pulver bildet die Anode. Der Separator (Mitte) nimmt den Elektrolyten auf und verhindert den unmittelbaren Kontakt zur Kathode. Diese besteht aus einem Blech aus schwarzem Nickeloxid-Hydrat (rechts).
Die Folien werden mit außen liegender Anode aufgewickelt und mit einem Metallzylinder ummantelt (aufgesägt, unten links). Das Gehäuse ist elektrisch leitend mit der Anode verbunden, es ist der Minus-Pol des Akkus. Eine elektrische Zuleitung vom Nickeloxid-Blech (rechts, blauisolierter Metallstreifen) führt zum Kopf der Zelle und bildet den Plus-Pol.
Elektrochemie
Die Anode besteht aus einer Metallhydrid-Legierung, die Wasserstoff speichern kann. Der Elektrolyt enthält 20%ige Kalilauge mit einem pH-Wert von 14. Nickelhydroxid bildet die Kathode.
Beim Entladen wird Wasserstoff zu Wasser oxidiert (1). Das Redox-Potential bei pH 14 beträgt ca. -0,83 V. An der Kathode wird Nickel von Ni(III)O(OH) zu Ni(II)(OH)2 reduziert (2). Die Redox-Spannung beträgt ca. +0,49 V. Die Gesamt-Spannung der Summen-Reaktion (3) beträgt 1,32 V.
(1) MH + OH- <-> M + H2O + e- -0,83V (2) NiOOH + H2O + e- <-> Ni(OH)2 + OH- +0,49V (3) MH + NiOOH <-> M + Ni(OH)2 Summe: 1,32 V Leerlaufspannung
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 Ni-Cd Basis. Kapazitäten von 2.5 Ah und mehr für die Baugröße Mignon sind bereits erhältlich. NiMH-Zellen lassen sich ca. 500 Mal wieder aufladen, entsprechend einer Lebensdauer von ca. 10 Jahren bei wöchentlicher Aufladung.
Im PKW des Typs Toyota Prius wird die bislang grösste serienmäßig hergestellte Nickel-Metallhydrid Batterie zum Antrieb eines 33 kW Elektromotors eingesetzt. Sie besteht aus 228 in Reihe geschalteter Zellen mit einer Kapazität von jeweils 6,5 Ah. Die Zellen stellen eine Spannung von 228*1,2 V = 273,6 Volt und eine Energie von 273,6 V * 6,5 Ah = 1750 Wh bereit. Ist die Entladung ca. 40% der Gesamt-Energie begrenzt, kann die Batterie den Elektromotor unter voller Last für ca. 1,3 Minuten betreiben. Einschließlich Ladeelektronik wiegt die Batterie 53,3 kg.
Links
- NiMH Batteries (Englisch)
- NiMH Akkus
- Battery Usage (...) of Toyota Prius (in Englisch)