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Praktisch verwendbare NiCd-Systeme gibt es erst seit der Jahrhundertwende. Nachdem sich Thomas A. Edison in seinen Forschungen auf Nickel / Eisen- Systeme konzentrierte, schuf Waldemar Jungner 1899 den ersten spaeter in Serie gefertigten NiCd-Akku.
Gasdichte NiCd- Zellen konnten erst nach 1933 hergestellt werden, nachdem A.Sassler mit seinen Forschungen die Grundlage dafuer gelegt hat. Seinerzeit war auch schon das Prinzip der Sinterelektroden bekannt. Der naechste Technologiesprung Mitte der achtziger Jahre brachte dann die Metallschaumelektrode und einige weitere Verbesserungen. Damit war es gelungen, in den Abmessungen einer Mignonzelle eine Kapazitaet von ueber 1 Ah unterzubringen.

2. Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle.

In einer NiCd-Zelle besteht die positive Elektrode aus Nickelhydroxid (NiO2H), in der Regel mit einem Graphitzusatz um die Leitfähigkeit zu verbessern. Bei gasdichten NC-Zellen ist es heute allgemein ueblich, einen Anteil sogenannter antipolarer Masse als Umpolschutz, meist Cadmiumhydroxid ( Cd (OH)2) hinzuzufuegen. Die positive Nickel-Elektrode lässt sich nämlich viel schlechter Laden als die negative Cadmium-Elektrode. Der Zusatz von Cadmiumhydroxid bildet eine Ladereserve, welcher die Wasserzersetzung und somit die Bindung von Wasserstoffgas verhindert. Die Chemische Umwandlung des Wasserstoffs durch Oxidation an der positiven Elektrode verlaeuft so langsam, das er für Rekombinationszwecke in der Zelle nicht brauchbar ist. Dieser Wasserstoffüeberschuß, der zu einem Druckanstieg in der Zelle fuehren wuerde, nimmt die Ladereserve auf und sorgt gleichzeitig fuer einen gewissen Umpolschutz.

Die negative Elektrode besteht aus pulverisierten Cadmiumverbindungen. Auch hier befinden sich zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit eingelagerte Graphitpartikel, auch hier gibt es analog zu positiven Elektrode eine Entlade - und Ladereserve, welche dadurch realisiert wird, dass mehr Elektrodenmasse als eigentlich erforderlich verwendet
wird. Bei Überladung wird dann der gesamte Ladestrom zur Suerstoffreduktion an der negativen Elektrode verwendet ohne dass es zu einem unzulaesisgen Druckanstieg kommt.

Trotz all dieser Massnahmen hat natuerlich die Umpolfestigkeit auch ihre Grenzen. In Großserienfertigung werden die Elektrodenmaterialien in die gewuenschte Form gepresst und dann zur mechanischen Stabilisierung mit einem feinmaschigen Nickeldraht umgeben. Dieses leitfaehiges Nickelnetz dient auch zur gleichmaessigen Ladungsverteilung.

3. Welches Elektrolyt verwendet man für NiCd-Zellen ?

In NC-Elementen dient Kalilauge (KOH) als Elektrolyt, ueblicherweise mit einer Dichte von 1,27 kg/l. Sie kann aber auch leicht variieren. Bei hoeheren Saeurekonzentrationen ist zwar mit höherer Kapazitaet zu rechnen, jedoch geht dies sehr zu Lasten der Lebensdauer einer Zelle. Uebrigens bleibt die Saeuredichte einer NiCd-Zelle waehrend der Ladung und Entladung ziemlich konstant, da sich die Reaktionen an der negativen und an der positiven Elektrode nahezu kompensieren.

4. Warum sind neue NiCd-Akkus immer leer ?

Grundsaetzlich fliesst bei jedem Akku ein Entladestrom, auch wenn dieser nicht belastet wird. (=Selbstentladung) Akkus mit Sinterelektroden besitzen eine deutlich höhere Selbstentladung. Man muss die erste Ladung (=Formatierungsladung) sehr gewissenhaft durchführen, um eine hoehere Lebensdauer zu erreichen. Der Grund ist, dass bei der ersten Ladung, sich die elektrisch aktiven Schichten an den Elektroden ausbilden. Würde man den Akku geladen ausliefern, so wuerde bereits vor der Formatierung eine gewisse Selbstantladung stattfinden. Die volle Kapazitaet erreichen NC-Akkus erst nach 6 Lade-Entladezyklen.

5. Wichtige Grössen und spezielle Eigenschaften von NC-Akkus

5.1 Wann und wieso bilden sich im Akku Gase ?

Bei Erreichen des Ladeendzustandes werden die waessrigen Anteile des Elektrolyts zersetzt; es entstehen (an der positiven Platte) Sauerstoff und Wasserstoff (an der negativen Platte), die normalerweise von der Gegenelektrode absorbiert werden. Beim Überladen bewirkt diese Knallgas-Erzeugung (Gasung) einen Druckanstieg in der Zelle, der bis zur Explosion führen kann. Daher sind alle Akkus (auch die dichten Zellen) mit einem Sicherheitsventil versehen, das bei hohen Innendruck anspricht.

5.2 Was bedeutet Lade-Entladeschlusspannung ?

Die Ladeschlusspannung ist die Klemmspannung bei voll aufgeladenem Akku mit angeschlossenem Ladegeraet. Sie beträgt bei NC-Zellen ca. 1.50 V.

Die Entladeschlußspannung ist der Wert der Klemmspannung die der Akku gerade noch erreichen darf, ehe er tiefententladen wird. Eine Tiefentladung des Akkus bedeutet immer eine Verkürzung der Lebensdauer. Entladeschlußspannung beträgt bei NC-Zellen ca. 0.85 V. Ein leer werdender Akku muss also rechtzeitig nachgeladen werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Nennkapazität niemals zu 100% entnommen wird, da hier Schäden auftreten.

Obwohl NiCd-Zellen recht unempfinlich gegen gelegentliche Tiefentladungen sind, sollte die Entladeschlußspannung nie unterschritten werden. Sonst können nämlich im Zellenverbund (bei Akku-Packs) einzelne Zellen bereits leer sein, während die Nachbarn noch etwas Ladung haben. Diese Nachbar-Zellen haben aber fuer die entladene Zelle die falsche Polaritaet, so dass hier zu einem Umpoleffekt kommen kann, der zur Zerstörung der leergepumpten Zelle führen kann.

5.3 Wie hoch ist die Leerlauf und die Klemmspannung einer NC-Zelle?

Die Leerlaufspannung einer NC-Zelle betraegt ca.1.299 V. Die Klemmspanng ist die bei angeschlossener Last an den Klemmen liegende Spannung.

5.4 Was bedeutet Selbstentladung und wovon haengt sie ab?

Auch ohne Belastung geht mit der Zeit ein Teil der im Akku gespeicherten elektrischen Energie verloren. Mit steigender Temperatur nimmt dieser Effekt stark zu. Die Ursache dafuer ist im schnellen Zerfall des hochaufgeladenen Nickelhydroxides auf der positiven Elektrode zu suchen. Dabei wird Sauerstoff abgespalten, der eine aequivalente Reduktion auf der negativen Elektrode bewirkt.Zudem haben die inneren Selbstentladestroeme durch vagabundierende Ionen eine nicht unbedeutende Wirkung. Selbstverstaendlich kann durch die Bauform die Selbstentladung beeinflusst (aber nicht vermieden) werden.

Faustregel:

Eine Verringerung der (Lager)-Temperatur um 10 grad, halbiert die Größe der Selbstenladung und verdoppelt somit die mögliche Lagerfähigkeit. Bei tiefen Temperaturen ist die Selbstentladung vernachlässigbar. Reduktion= das Gegenteil von Oxidation, also Abspaltung des Sauerstoffes.

5.5 Welche Rolle spielt die Temperatur im Akku ?

Viele Eigenschaften von Akkus aendern sich mit schwankender Temperatur. Eine Angabe von Bsp. 1Ah = 1000mAh besagt, das man bei 1/10 des Nennstromes (100mA) rund 10 h benoetigt, um den Akku restlos auszuschoepfen. Dies ist aber nicht erwuenscht (s.o.) Ausserdem ist die Stromausbeute sehr stark Temperatur abhängig. Wie wir schon von der Schule her wissen, laufen chemische Reaktionen bei erhoeten Temperaturen wesentlich schneller ab, das gilt auch fuer die Selbstentladung, die in diesem Fall die verfuegbare Kapazitaet ziemlich stark einschraenkt. Aber auch Kaelte beeinflusst die Eigenschaften des Akkus. Kaelte bremst die chemischen Vorgaenge im Akku, da der Ionenstrom im Elektrolyt langsamer abläuft. Dies bewirkt wiederum eine Zunahme des Innenewiderstandes und eine kleinere verfügbare Klemmspannung.

5.6 Was hat es mit dem Memory-Effekt auf sich ?

Hierbei tritt eine Kapazitaetsminderung auf, wenn der Akku oft teilentladen wird und dann (fachgerecht) aufgeladen wird. Man erklaert sich den Vorgang durch eine Kristallvergroesserung des Nickelhydroxids und des Cadmiums an den Elektroden und den
damit verbundenen Oberflaechenschwund. Dies kann bis zu einen kristallinen Kurzschluß führen. Durch gezieltes Tiefentladen und dann wider fachgerechtes Aufladen kann der Akku einigermassen wieder "fit" gemacht werden.

5.7 Wovon ist die Kapazität abhängig ?

Die verfuegbare Kapazität in Abhänigkeit vom Entladestrom ist stark vom Aufbau abhängig, wobei man die Zellengroesse als Faustkriterium nehmen kann. Bei kleinen Zellen (300mAh) sind bei 1C gerade mal 60% verfuegbar, bei Zellen mit 1,5Ah sind bei 1C noch 95% verfügbar, speziellen Zellen liegen bei 1C noch weit über der Nennkapazitäet. Immer noch Spitze sind die 1,7Ah-Zellen von Sanyo (56g), die z.B. einen Strom von 65A (=38C) immerhin noch 80s lang liefern köennen, das entspricht einer entnehmbaren Kapazität von 85% bei 38C.

6.0 Durch welche Massnahmen kann man die Eigenschaften einer NiCd-Zelle verbessern ?

Etwas aufwändiger und teurer sind NiCd-Akkus mit Sinterfolien-Elektroden. Hierbei dient ein vernickeltes Stahlgewebe als Traeger, auf welches das Elektrodenmaterial, also NiOOH = positive Elektrode u. Cd = negative Elektrode, staubfoermig aufgebracht wird. Unter sehr hohen Temperaturen und Druecken sintern dann diese Stoffe zusammen und ergeben rauhe Oberflächen. Durch die nun sehr grosse aktive Oberflaeche, ergeben sich folgende Eigenschaften: sehr geringen Innenwiderstand hohe Entladestroeme und eine gute Ueberladefestigkeit, da ja durch die grosse Oberfläche die Gase (O und H) bei Ueberladung sich besser an den Elektroden binden koennen. Desweiteren besitzen solche Akkus bis zu 20 % mehr Kapazität.

Weniger verbreitet sind Akkus mit Metallschaumelektroden.Ein selbsttragender Metallschaum oder Metallschwamm kann zu einem Wickel geformt, vollautomatisch zu Elektroden, verarbeitet werden.

7.0. Welche Aufgabe hat der Separator in einem NC-Akku ?

Damit die Elektroden immer einen optimalen Abstand haben, muss man sie stets mechansich fixieren. Diese Aufgabe uebernimmt der Separator (er wird oft auch als Scheider bezeichnet). Er beeinflusst die Zelle sehr wesentlich. Der Separator muss einerseits die Elektroden sicher voneinander trennen, und andererseits flexibel sein und das über einen grossen Temperaturbereich.

Er darf für den Ionenfluss nur ein sehr minimaler Widerstand sein, soll aber gleichzeitig hochisolierend sein. Zudem darf der Separator nicht durch Saeure oder Lauge angegriffen werden. Als Materialien eignen sich Folien wie Vliese, Polyamid oder Polypropylen. Diese werden noch einer speziellen Oberflächenbehandlung unterzogen.

8.0 Einige technische Daten

Spezifische Energiedichte : 21-27 Wh/kg elektrochemische Spannung der Gesamtreaktion :

1.299 V
Innenwiderstand : 5m Ohm
entnommene Kapazitaet Qab
Ladewirkungsgrad nAH = : --------------------------------- = -----
zugegebene Kapazitaet Qzu
Ladewirkungsgrad : ca. 83 % - 72 %
Endladeschlusspannung : 0.85 V

Die generelle obere Temperaturgrenze von NiCd : bei etwa 65 Grad Dauertemperaturen ab etwa 45 Grad erfordern bereits einen speziellen Zellenaufbau. Unterhalb -10 Grad hat die Zellenspannung einen negativen Temp-Koeffizienten Der Abfall betraegt etwa: 3mV/Grad.

9.0 Welche Ladeverfahren gibt es ?

14 Stunden Normalladung mit Konstantstrom: (Laden ca. 1/10 des Nennstromes) Die Ladedauer ist lang, teilentladene Akkus werden ueberladen und verlieren ihre Speicherkapazitaet (Memoryeffekt), tiefentladene Akkus werden nicht regeneriert. Definiertes Entladen und anschliessende 14 Stunden Normalladung: Die Ueberladung und der Memoryeffekt werden verhindert. Die Regeneration schwacher Akkus ist mässig.

Entladen und anschliessende zeitgesteuerte Schnelladung: Die Vorteile sind kurze Ladezeiten und bessere Regeneration. Wegen des unterschiedlichen Wirkungsgrades verschiedener Akkutypen wird der Akku jedoch meist ueber- oder unterladen. Schnelladefähige, also teure Akkutypen sind notwendig.

Entladen und anschliessende Schnelladung mit Spannungsueberwachung: Von der Zellenspannung kann nur bedingt auf den Ladezustand geschlossen werden. Zudem ist die Spannung des vollen Akkus von Typ zu Typ unterschiedlich. Deshalb sind die Akkus oft teils ueber- oder unterladen.

Entladen und Schnelladung mit Temperaturueberwachung: Der Temperaturanstieg während der Ladung ist ein gutes Mass fuer den Ladezustand. Der Kontakt von Fuehler und Akku ist oft problematisch.

Entladen und Schnelladung mit Delta - Peak - Abschaltung:

Da die Zellenspannung des Akkus aufgrund des Temperaturanstieges sinkt, ist dies ein sehr gutes Abschaltkriterium. Die Elektronik macht Fertiggeraete teuer, und wegen der erforderlich hohen Ladestroeme duerfen keine Normalakkus benutzt werden.

Entladen und Laden nach dem Reflexprinzip:

Das derzeit modernste Ladeverfahren erlaubt eine Schnellladung ähnlich der Delta-Peak-Methode auch bei Normalakkus. Kurze Entladeimpulse waehrend der Ladephase erhalten die chemische Reaktionen in der Akkuzelle in einem günstigen Bereich.

Anmerkungen zum Reflexprinzip:

Das wesentliche Element des von Christie Electric Corp. 1988 patentierten Reflexverfahrens liegt darin, dass während eines Ladevorgangs (mit hohem Strom) periodisch für eine kurze Zeit (mit einem noch hoeheren Strom) entladen wird.

Der Sinn des Prozedur ist: Waehrend des Ladens mit hohem Strom entstehen durch Elektrolyseprozesse kleine Sauerstoffbläschen an den Elektroden. Dadurch wird die effektive Elektrodenoberfläche reduziert und so die Impedanz der Zelle erhoeht. Eine erhoehte Zellenimpedanz hat aber eine geringere Ladeeffektivität und zudem eine hoehere Temperatur zur Folge.

Um dies zu vermeiden, ist der periodische Entladepuls vorgesehen. Dieser Entladepuls loest Bläschen von den Elektroden ab und foerdert durch den nun umgekehrten Stromfluss die Re-kombination des Sauerstoffs an der negativen Elektrode. Die Strategie arbeitet aber nur dann zuverlaessig, wenn die Gasbläschen noch klein sind. Aus diesem Grunde erfolgt der Entladepuls etwa jede Sekunde.

Der Vorteil des Verfahrens liegt nun nicht nur im hoeheren zulässigen Ladestrom. Die Effektivitaet des Ladevorganges steigert sich nämlich auch noch dadurch, daß (NiCd-typisch) allein schon durch die Hochstromladung eine zusätzliche höhere
Effektivität erreicht wird.
Während die Effektivität beim Reflex-Prinzip mehr als 95 Prozent (bei minimaler Zellenerwärmung) erreicht, liegt die Effektivität bei konventioneller C/3-Ladung bei nur etwa 70 Prozent. Das Reflex-Prinzip setzt also mehr Energie in Ladung statt in Gasentwicklung um. Das bei dieser Lademethode ein Memoryeffekt vermieden bzw. ein bestehender Memoeffekt rückgängig gemacht wird (Aufbrechen der Kristalstrukturen) braucht keiner besonderen Erwähnung.

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