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FAQ - Nickel Metall Hidrid (NiMH) Zellen

von Oliver Weindl

 

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Schnellübersicht:

1. Allgemeines
2. Zellenaufbau
3. Vergleich der Systeme
4. Lade/Entlade-Eigenschaften
5. Vergleich diverser Sekundärelemente

1. Allgemeines

Unter den wideraufladbaren Geräetebatteriesystemen ist zur Zeit das System ni-cd mit Abstand vorherrschend, was an der Robustheit und der universalen Einsetzbarkeit liegt. Alle anderen verfuegbaren Systeme sind neu auf dem Markt oder Spezialsysteme fuer spezielle Anwendungen. Da das System Ni-Mh weitgehenst kompatibel dazu ist, zusatzvorteile bietet und in Zukunft weiterentwickelt wird, kann es in vielen Anwendungen die Rolle des NiCd Systems uebernehmen. Als weiteres System wird im Laufe der kommenden Jahre Lithium wiederaufladbar, auch unter der Bezeichnung Li/Swing oder Li/Ion bekannt, an Boden gewinnen. Da es sich hierbei um ein System mit 3 V handelt, ist keine Kompatibilität zu anderen Systemen gegeben, was eine Markteinführung verlangsamt.

2. ZellenaufbauNiMH-bild-02.gif (2121 Byte)

Die elektrochemischen Vorgänge eine NiMh-zelle sind mit den der NiCd-Zelle fast identisch, sie unterscheiden sich jedoch an den negativen Elektroden.

Wie von NiCd-Systemen bekannt ist,gibt es auch bei NiMh-Zellen eine Lade/Entladereserve, d.h. eine Ueberlade- und Teifentladefaehigkeit ohne Schäden für   den Akku. Dies wird erreicht, indem man die negative Elektrode größer bzw.
massenreicher gestaltet als positive Elektrode. Die Entstehung eines Sauerstoffüberdruckes durch Überladung wird wie bei der NiCd-Zelle durch Rekombination an der negativen Elektrode verhindert. Man muss also bei Überladung die entstehenden O2-Moleküle möglichst schnell binden, um einen Überdruck zu verhindern bzw. das das Sicherheitsventil das Akkus nicht anspricht.

Bild 1 - Vorgänge an der Elektroden der NiMh-Zelle

Andererseits ist die negative Elektrode einer NiMh-Zelle in der Lage, Wasserstoff zu absorbieren, so das im Fall einer Tiefentladung oder Umplolung der an der positiven Elektrode entstehende Wasserstoff ebenfals zu einem gewissen Grad verzehrt werden kann. Das die Lade/Entladereserve nur in einem gewissen Bereich Wirkung zeigt, bedarf keiner weiteren Erwähnung.  Zur Verdeutlichung der Vorgänge soll Bild 1 helfen.

 

NiMH-bild-01.gif (2238 Byte)

  • er = Entladereserve
  • el = Ladereserve

3. Vergleich der Systeme

Das Verhalten der NiMh-Zellen bei kleinen und mittleren Entladestroemen gleicht fast den der NiCd-Zellen. Bei grossen Entladestroemen sind NiCd-Akkus im Vorteil,d.h das sich grosse Entladestroeme bei NiCd-zellen weniger auf die
Kapazität auswirken, wie bei NiMh-Akkus. Weitere Unterschiede ergeben sich zwischen NiMh -und NiCd-Zellen aber im Spannungverhalten waehrend der Ladung.

Generell liegt die Ladespannug von NiMh-Zellen leicht unterhalb der NiCd-Zellen, und das für NiCd-typische Spannungsmaximum am ladeende bei höheren Lastströmen ist bei NiMh-Zellen wesentlich schwächer ausgeprägt. Deweiteren zeigen NiMh-Akkus 25%-100% grössere Kapazitätswerte auf wie NiCd-Systeme bei gleicher Bauform. Die Grössenänderung hängt natürlich von der Baugrösse und des verwendeten NiCd-Systems ab.

Außerdem sind NiMh-Zellen über einen viel größeren Temperaturbereich einsetzbar als NiCd-Systeme.

  • Laden: 0 .... 60 Grad
  • Entladen: -20 ... 65 Grad
  • Lagern: -40 ... 65 Grad

Die obere Grenze für NiMh-Zellen liegt also bei 65 Grad. Ladespannungen sollten nicht unter 0 grad durchgefuehrt werden, da der
unerwuenschte Druckaufbau die Zelle im unguenstiegen Fall zerstören könnte. Ein weiterer grosser Vorteil der NiMh-Zelle ist, das sie keinen Memory-Effekt aufweist. Der Memory-Effekt wurde bereits in der NiCd-FAQ erörtert.

4. Lade/Entlade-Eigenschaften

Je höher der Ladestrom, desto hoeher ist die Ladeschlußpannung. Die Ladespannung von NiMh-Akkus weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf.( d.h je hoeher die Temperatur, desto geringer ist die _Lade_endspannung ). Die Ladespannungskennlinie verläuft sehr flach.

NiMH-bild-03.gif (8141 Byte)Bei ereichen des Ladeendzustandes steigt die Spannung nochmal stärker an. Ladegeräte können diesen Spannungsanstieg auswerten und entsprechend auf Ladehaltestrom umschalten. Laedt man den NiMh-Akku ueber die Ladeendspannung hinaus weiter, so sinkt die Ladespannung wieder. Auch diesen Rueckgang der Spannung kann man als Abschaltkriterium verwenden. Meist lassen sich negative Spannungsänderungen schaltungstechnisch besser lösen, als positive. Der Anstieg bzw- der Rueckgang der Ladespannung ist temperaturabhängig.

Anders ist es bei der Entladespannung. Sie ist um so groesser je höher die Temperatur ist. Die Kapazitätsausbeute steigt mit der Temperatur. Bei hoeheren Temperaturen macht sich bei kleinen und mittleren Entladeströmen jedoch der gegenteilige Effekt bemerkbar. Daher verringert sich die Kapazität bei 60 Grad geringfügig gegeüber der bei Raumtemperatur.

5. Vergleich diverser Sekundärsysteme

 

++ ausgezeichnet + gut - ausreichend für viele
Anwendungen beträchtliche Nachteile

 

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