welcome: please sign in

Alkalische Akkus

Einführung

Geschichte alkalischer Akkus

Übersicht über Alkalische Akkus

Zelltyp

Ruhespannung [V]

Spez. Energie [Wh/kg]

Zyklen bis 80% DOD

Tieftemperaturverhalten

Hochstromverhalten [Eigenkapazität]

Selbstenladung [Eigenkapazität%/Monat]

Kosten

NiFe

1.37

50

3000

--

1C

30

+

NiCd

1.30

50

1500

++

15C

20

o

NiH

1.32

45 bis 80

40000 (40%DOD)

+

1-5C

80

-

NiMH

1.32

55 bis 100

1000

o

15C

25

o

NiZn

1.75

55 bis 85

600

-

5C

20

++

AgZn

1.86

100 bis 250

20

o

20C

5

--

RAM

1.50

80

25

--

0.5C

0.5

+

Aufbau der Zellen

Alkalische Akkus werden in den folgenden Bauarten gefertigt:

Knopfzelle_CR_2025.jpg rundzelleMignon.jpgPrismatischeZelle.jpgbatteriegroessen.gif

Aufbau der Elektroden

Aktivmaterial der Elektroden

Positive Elektrode

Negative Elektrode des NiCd-Akkus

Negative Elektrode des NiMH-Akkus

Elektrolyt

Seperator

NiCd

NiMH

Gehäuse

Reaktionsgleichungen

Hauptreaktionen

siehe oben.

Nebenreaktionen

Positive Elektrode

Negative Elektrode

Gesamtreaktion

Rückreaktion an negativer Elektrode

Gelangt der Sauerstoff zur negativen Elektrode, erfolgt dort die Reaktion von Sauerstoff mit OH- Molekühlen

Alterung

Symptom

Beschribung

Ursache

Innenwiderstand steigt

- Hauptfehlermechanismus bei NiMH Akkus
- typisch bei NiCd bei starker Belastung

- Wasserverlust durch verschieden Mechanismen
- Verlust der Leitfähigkeit der positiven Aktivmasse

Kapazität wird kleiner

- Bei Hochstrom bedingt durch anstieg des Innenwiderstands
- Infolge von Verlust von Aktivmaterial

- Anstieg des Innenwiederstands
- Korrosion des Aktivmaterials (NiMH)
- Morphologieänderung (Kristallstruktur) im Aktivmaterial

Selbstentladung steigt

Typischer Fehler bei wenig belasteten NiCd Zellen

- Bei NiCD: Cd-Dentriten
- Bei NiMH: Feinschlüsse durch Co, Mn, Al

reversible effekte

Diese Alterungseffekte sind reversibel und können durch mehrfaches Zyklisieren wieder rückgängig gemacht werden. Die Folge ist eine Reduktion der Entladespannung und somit ein früheres abschalten des Verbrauchers.

  • Klassischer Memmory Effekt:
    • Verursacht durch die Cd-Elektrode und tritt deshalb bei NiMH Akkus nicht auf.
    • Bedingt durch Überladung bildet sich Ni5Cd21 in der Cd-Elektrode. Dies hat ein niedrigeres Potential.

    • Bei Aktuellen Zellen soll der Effekt durch Inaktivierung des Sinternickels nicht mehr auftreten.
  • Memory Effekt
    • wird durch die Ni-Elektrode verursacht und tritte bei beiden Typen auf.
    • Wird auch als "Voltage depression Effekt" oder "Lazy Effekt" bezeichnet
    • Ursache ist die Zyklisierung mit geringier Tiefe.
    • Dadurch bildet sich in der Ni-elektrode eine andere Kristallstruktur aus, die ein niedrigeres Potential aufweist.
    • Die Spannungsstufe lässt sich durch einmaliges vollständiges entladen wieder rückgängig machen.

irreversible effekte

  • Alterung der Ni-Elektrode
  • Alterung der MH-Elektrode
    • Korrosion führt zum Verlust von Aktivmaterial und Wasser
    • Die Korrosion ist allerdings selbsthemmend, da das Aktivmaterial durch die Metallhydridoxid-Schicht geschützt wird.
    • Mechanischer Stress führt zu Rissen, die erneut korrodieren.
    • Da der Mechanische Stress von der Zyklentiefe abhängt vergrößert sich die Lebensdauer massiv bei geringer Zyklentiefe.
    • Wenn die Überladereserve verbraucht ist, ensteht Wasserstoff, der von der positiven Elektrode nicht aufgenommen wird. Es Folgt ein Druckanstieg und Elektrolytverlust durch öffnen des Sicherheitsventils
  • Bildung von Cd-Dentriten durch diffusion von Cd-Ionen in den Separator -> Kurzschluss

Optimaler Betrieb

  • es ist nicht sinnvoll den Akku vor jedem Laden zu entladen, da dies die Alterung der Elektroden beschleunigt.
  • geringe Zyklentiefe steigert die Lebensdauer (NiMH)
  • Die Lagerung ist bei beliebigen Ladeständen möglich. >10% ist empfohlen. Die Zellspannung sollte über 1V liegen da sonst die Leitzusätze in der positiven Elektrode beschädigt werden

  • Lagerung bei möglichst niedrige Temperaturen (<20°C)

  • Tiefentladen bis zu 1.0V bei mittleren Strömen bzw. 0.8V bei hohen strömen ist unproblematisch.
  • Beim Serienschaltung kann es zur Umpolung einer Zelle kommen, was unbedingt vermieden werden sollte.
  • Bei Batteriepacks sollte man regelmäßig eine Ausgleichsladung durchführen. Durch gezieltes überladen mit geringem Strom (0.1C) werden die Ladungsstände der Zellen angeglichen.
  • Batteriepacks sollten sich nich ungeleichmäßig erwärmen.
  • Im Bereitschaftsbetrieb kann es bei NiCd-Akkus zur Bildung von Dentriten kommen. Periodisches (ein mal pro Monat) Vollständiges entladen und Laden ist sinnvoll.

Eigenschaften von Alkalischen Akkus

Energie- und Leistungswerte

Ruhespannung

  • NiCd und NiMH Akkus zeigen eine Hysterese. D.h. nach einem Ladevorgang ist die Spannung sehr viel höher als nach einem Entladevorgang. Auch nach längerer Standzeit ist die Spannung trotz vorrausgegangenerm Ladevorgang wieder niedriger. Die Spannungshyterese beträgt ca. 70mV pro Zelle. (siehe Abbildung 3.17, Seite 81)

  • Ladezustand kann bei NiCd und NiMH Akku wg. o.g. Hysterese und einer Erhöhung der Zellspannung von nur 1% pro 1mV schlecht aus der Zellspannung abgeleitet werden.

Entladeeigenschaften

  • Die hohe Leitfähigkeit von Kalilauge ist Vorraussetzung für einen kleinen Innenwiderstand.
  • Die schlechte Leitfähigkeit des positiven Aktivmaterials muss zusätzlich durch Zusätze (Cobald) und niederohmige Geometrien wie Sinterelektroden beeinflusst werden.
  • Die negative Elektrode ist bei NiMH-Akkus für die schlechte Leitfähigkeit bei Kälte verantwortlich, da der Wasserstoff ins negative Anodenmaterial diffundieren muss.
  • (!) Bei NiMH und NiCd Akkus unterscheidet sich die maximal entnehmbare Kapazität zwischen Entladeströmen von 0.1C und 10C nur um ca. 20%