03 Nickel-Metall-Hydrid-Akku (NiMh)

Vielfältigkeit der sekundären Batterien

Im Folgenden gehe ich auf die drei Akkutypen NiCd-, Lithium- und NiMh-Akkus ein. Ich erläutere den NiMh-Akku näher, da wir den RoverBB damit ausstatten.

Es existieren dutzende verschiedene Batterietypen, in denen unterschiedliche chemische Materialien verwendet werden. Diese Vielfältigkeit ermöglicht spezifische Eigenschaften, die ein Akku erfüllen soll. Je nachdem, welche Materialien benutzt werden, unterscheiden sich die Eigenschaften erheblich. Bei mobilen Anwendungen ist ein entscheidender Faktor die Energiemenge pro Gewicht.

Bei anderen Anwendungen kann auch die Aufladeeffizienz eine Rolle spielen (z.B. Solaranlagen). Weitere wichtige Faktoren können auch die Anschaffungskosten oder die Lebensdauer darstellen.

Nickel-Cadmium-Akku

Auch die Umweltverträglichkeit der einzelnen Batterie-Elemente sollte eine Rolle spielen. Batterien können stark giftige Stoffe beinhalten. Der Nickel-Cadmium-Akku (NiCd) ist z.B. solch ein Problemfall, der per EU-Beschluss ab 2008 nur noch begrenzt eingesetzt werden darf. Der Bestandteil Cadmium ist ein sehr giftiges, umwelt- und gesundheitsgefährdendes Schwermetall, das bei Menschen und Säugetieren Leber, Nieren und Knochen angreift.

Eigentlich kommt man heutzutage selten mit diesen Akkus in Kontakt. Sie werden meist nur noch in Not- oder Alarmsysteme einschließlich Notbeleuchtung und in medizinischen Ausrüstungen verwendet.

Er hat eine Nennspannung von 1,2Volt. Als einer der ältesten Akkutypen besitzt er eine ganze Reihe von Vorteilen: Er ist wartungsarm, sehr belastbar, schnellladefähig, besitzt eine niedrige Selbstentladung und ist kältefest (-30°C). Durch seinen geringen Innenwiderstand kann er hohe Entladeströme ausgeben. Die Lebensdauer von 1000 bis 1500 Ladezyklen ist sehr hoch.

Ein großer Nachteil bei NiCd-Akkus ist der Memory-Effekt. Ein unvollständig geladener Akku scheint sich das aktuelle Ladungsniveau zu „merken“ und kann beim nächsten Mal nicht darüber aufgeladen werden. Durch entsprechende Technik kann man aber dem Memory-Effekt entgegenwirken.

Lithiumbasierte Akkus

Eine moderne Akku-Technologie bilden lithiumbasierte Akkus. Sie sind wahre Kraftpakete und haben eine sehr hohe Energiedichte. Ein konventioneller Lithium-Ionen-Akku liefert eine Nennspannung von 3,6Volt, und ist somit dreimal höher als die eines Nickel-Metallhydrid-Akkus. Lithium-Akkus kommen vermehrt in mobilen Geräten mit hohem Energiebedarf zum Einsatz: beispielsweise in Notebooks, Digitalkameras oder Mobiltelefone. Von allen Akkutechnologien haben sie weltweit seit Jahren die höchsten Wachstumszahlen.

Durch den Einsatz dutzender Elektrodenvarianten variieren die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Akkus. Es gibt sie in unterschiedlichen Varianten.

Hier nur einige Beispiele:

Lithium-Mangan-Oxid-Spinell

Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan

Lithium-Cobalt-Oxid

Lithium-Eisen-Phosphat

Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid

Vier Dinge verzeihen Lithium-Akkus nicht: eine Tiefentladung, falsch Polung, Überladung und zu hohe Lade-Temperaturen. Im Gegensatz zur NiMH-Aufladetechnik benötigen Lithium-Akkus eine kompliziertere Aufladeschaltung. Die Ladeelektronik muss den Ladevorgang genauestens überwachen.

Im Hobbybereich ist es üblich, Lithium-Zellen selber mit externen Ladegeräten aufzuladen. Anfängern rate ich dringend ab, mit Lithium-Zellen zu basteln. Eine Explosionsgefahr durch falschen Umgang mit Lithium-Batterien ist zu groß.

Die Nennspannung der Lithium-Zellen ist abhängig vom Elektrodenmaterial und liegt bei 3,6Volt oder 3,7Volt. Eine Lithium-Zelle hat daher eine dreimal höhere Energiedichte als ein NiCd-Akku (1,2Volt). Sie vertragen hohe Entladeströme bis zu 40C. Eine Schnellladung ist möglich. Sie zeichnet sich durch eine sehr niedrige Selbstentladerate von nur 3% bis 5% pro Monat. Selbst nach 10Jahren ist noch eine Stromentnahme möglich. Das ist sehr beachtlich!

Auch in Sachen Wirkungsgrad kann der Lithium-Akku punkten. Die Entlade- und Aufladekapazität beträgt fast 100%. Es ist also möglich nahezu die gesamte reingesteckte Energie, ohne große Verluste wieder zu entnehmen.

Der Nickel-Metall-Hydrid-Akkumulator

Der Nachfolger von Nickel-Cadmium-Akkus ist der umweltverträglichere Nickel-Metall-Hydrid-Akku (kurz NiMh). Seinen Namen verdankt er den verwendeten Materialien aus Nickelhydroxid (Kathode) und einer Legierung aus Lanthan und Metallen (Anode).

MiMh-Akkus besitzen im Vergleich zu NiCd eine doppelte Energiedichte und werden im großen Stil in der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Sie werden aber verstärkt von den Lithium-Akkus verdrängt.

Ein Nachteil ist die relativ hohe Selbstentladung, die aber die Hersteller mit jeder Weiterentwicklung immer besser in den Griff bekommen.

Seine Fähigkeit Tiefentladungen zu vertragen machen ihn robust und vereinfacht dadurch das Batteriemanagementsystem. NiMh-Akkus sind temperaturbeständig und trotzen Außentemperaturen zwischen -15°C bis 40°C.

Sie können recycelt werden und sind viel umweltfreundlicher als andere Zellen, die starke Gifte wie Blei, Cadmium oder Quecksilber beinhalten.

Moderne NiMH-Akkus haben eine langsame Selbstendladungszeit. Hersteller machen hier sehr optimistische Angaben: Sie sollen nach 24 Monaten immer noch 80% der ursprünglichen Kapazität haben. Die Realität sieht etwas anders aus. Ladezyklen von 500 bis 1000 klingen da schon realistischer.

NiMH-Akkus haben (genau wie NiCd-Akkus) eine Nennspannung von 1,2Volt pro Zelle. Für die im RoverBB eingesetzte Baugröße Mignon AA sind Kapazitäten von 800 bis 2850mAh erhältlich. Sie zählen als leer, wenn die Entladeschlussspannung 1,0Volt beträgt. Die Entladeschlussspannung beschreibt die untere Spannungsgrenze, ab der die Batterie als Entladen zählt. Überschreitet man diese Grenze, geht es in Richtung Tiefentladung. Daher ist dieser Wert bei der weiteren Programmierung eines Alarms von Bedeutung.

Die untere Abbildung zeigt eine typische Entladekurve bei gleichmäßiger Belastung. Die Batteriespannung verläuft bis fast zum Schluss leicht abfallend geradlinig bis sie abrupt abbricht.