Nickel-Cadmium-Akku

Aus Modellbau-Wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche

Der Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd) ist eine wiederaufladbare Batterie (sogenannte Sekundärzelle).

Von der grundsätzlichen Bauart ist zwischen offenen und gasdichten Zellen zu unterscheiden.

Gasdichte Zellen sind häufig baugleich zu handelsüblichen Batterien und können daher als Ersatz für diese sogenannten Primärzellen verwendet werden.

Offene Zellen werden für stationäre Anwendungen verwendet.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Der Nickel-Cadmium-Akkumulator wurde 1899 von dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt. Der NiCd-Akkumulator gehört zu den alkalischen Batteriesystemen, an denen auch Thomas Alva Edison zu der Zeit parallel gearbeitet hat. Ein wesentlicher Unterschied zu dem bis dahin bekannten Bleiakkumulator ist, dass das Elektrolyt während der Ladung und Entladung unverändert bleibt. 1910 begann die industrielle Fertigung des NiCd Akkumulators in Schweden. Diese ersten NiCd-Akkumulatoren hatten sogenannte "Taschenelektroden", die auch heute noch üblich sind. Ungefähr 1930 wurden in Deutschland sogenannte "Sinterelektroden" entwickelt. Das Prinzip der gasdichten Zellen wurde 1933 von Dassler veröffentlicht. Serienreife gasdichte Zellen waren in den 50er Jahren verfügbar. Bis in die 90er Jahre hat sich der NiCd-Akkumulator zu der meistgebräuchlichen wiederaufladbaren Batterie im Consumerbereich entwickelt. Zukünftig werden Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) und Lithium-Ionen-Akkus mehr Bedeutung bekommen. Gründe hierfür sind: Die neueren Systeme haben höhere Energiedichten und NiCd-Akkus enthalten das giftige Cadmium.

EU-Verbot soll kommen

Im Dezember 2004 hat der EU-Ministerrat eine Richtlinie verabschiedet, deren Ziel es ist die technische Nutzung von Cadmium zu reduzieren. Vorbehaltlich der Zustimmung des EU-Parlaments sollen die Mitgliedsstaaten innerhalb von zwei Jahren durch nationale Gesetze zunächst Nickel-Cadmium-Akkus verbieten. Auf Wunsch einiger Mitgliedsstaaten - darunter auch Deutschland - sollen jedoch, unter anderem, schnurlose Elektrowerkzeuge, so genannte Power Tools, von dem Verbot zunächst ausgenommen werden, weil "für Power Tools nicht sicher gestellt ist, dass gleichwertiger Ersatz aktuell verfügbar ist". Vier Jahre nach Inkrafttreten der Richtlinie soll diese Ausnahme jedoch überprüft werden, um das Cadmium-Verbot dann möglicherweise auszudehnen.

Eigenschaften

NiCd-Akkumulatoren haben eine nominale Spannung von 1,2 Volt, die unter den 1,5 Volt normaler Batterien liegt. Das stellt kein Problem dar, da die meisten Geräte auf niedrige Spannungen von 0,9-1,0 Volt entladener Batterien ausgelegt sind. Durch den geringen Innenwiderstand von NiCd-Akkumulatoren können diese hohe Ströme liefern. NiCd-Akkus werden (auch deshalb) vor allem im Modellbau und schnurlosen Telefonen genutzt.

Mittlerweile werden NiCd-Akkumulatoren zunehmend durch Nickel-Metallhydrid-Akkus ersetzt.

Aufbau

Die Elektrode des NiCd-Akkumulators bestehen in geladenem Zustand aus Platten, die am Minuspol mit fein verteiltem Cadmium und am Pluspol mit Nickel(III)-oxidhydroxid beladen sind. Als Elektrolyt wird 20%-ige Kaliumhydroxid-Lösung verwendet. Diese Kombination liefert eine Spannung von 1,3 V

Bei Überladung des Akkumulators wird an der negativen Elektrode Wasserstoff und an der positiven Elektrode Sauerstoff produziert. Man sagt der Akku "gast". In geschlossenen Zellen muss dies unbedingt verhindert werden, aus diesem Grund wird die negative Cadmiumelektrode überdimensioniert und dient als negative Entladereserve. Die positive Nickelelektrode enthält etwas Cadmiumhydroxid als "Antipolare Masse". Bei Überladung stellt sich so ein Gleichgwicht zwischen Sauerstofffreisetzung und Verbrauch ein, es wird kein Wasserstoff entwickelt. In gasdichten Faserstruktur-Ni/Cd-Zellen wird der entstehende Sauerstoff an einer katalytisch wirksamen Oberfläche der Faserstruktur-Rekombinationselektrode so schnell rekombinidert, dass im Betrieb sogar ein leichter Unterdruck entsteht.

Elektrochemie

NiCd-Akkumulatoren enthalten im geladenen Zustand:

  • eine positive Elektrode: NiOOH
  • eine negative Elektrode: Cd
  • einen Separator
  • ein Elektrolyt, meist 20%ige KOH

Entladevorgang: An der Anode/negativen Elektrode wird Cadmium zum Cadmiumhydroxid(Cd(OH)₂) oxidiert. Die freiwerdenden Elektronen fließen dann über den Verbraucher zur Kathode/positiven Elektrode. Dort wird das Nickel(III)-oxidhydroxid NiOOH zu Nickel(II)hydroxid Ni(OH)₂ reduziert.

Reaktionen:
Negative Elektrode:  Cd(0) + 2 OH- → Cd(II)(OH)₂ + 2 e-
Positive Elektrode:  2 Ni(III)OOH + 2 H2O + 2 e- → 2 Ni(II)(OH)₂ + 2 OH-
Gesamtreaktion:      2 NiO(OH) + Cd + 2 H₂O ↔ 2 Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂
 
 → Entladung
 ← Ladung

Ladevorgang: die Reaktionen laufen in umgekehrter Richtung ab, die Cadmium-Elektrode ist dann ebenfalls Minus-Pol, aber Kathode, da hier reduziert wird, die Nickelelektrode ist entsprechend Plus-Pol/Anode, an dem eine Oxidation abläuft.

Überladen: Gegen Ende des Ladezyklus steigt die Zellspannung an, ab ca. 1,55-1,6 V wird die Zersetzungsspannung des Wassers unter den Bedingungen der Zelle überschritten, es kommt zum Gasen:

Negative Elektrode:  4 H₂O + 4 e- → 2 H₂ + 4 OH-
Positive Elektrode:  4 OH- → 2 H₂O + 4 e-
Gesamtreaktion:      2 H₂O ↔ 2 H₂ + O₂

Probleme

NiCd-Akkus enthalten das giftige Schwermetall Cadmium und müssen daher über besondere Rücknahmesysteme gesondert entsorgt werden.

Beim Überladen von NiCd-Akkumulatoren können diese beschädigt werden:

  • Ausgasen durch Überhitzung/Überladung (irreversibel)
  • Entstehen von γ-NiOOH und dadurch Spannungsabfall (44-50 mV)
  • Entstehen von intermetallischer Verbindung Ni₅Cd₂�? und dadurch Spannungsabfall (120 mv)
  • Entstehen von Kristallen, siehe Memory-Effekt

Bei Überladung des Akkumulators wird an der negativen Elektrode Wasserstoff und an der positiven Elektrode Sauerstoff produziert; man sagt der Akku „gast“. Auch Falschladung beschädigt eine Zelle durch Ausgasen. Falschladung einer Zelle kann sehr schnell passieren wenn sich diese in einem Akkupack befindet, welches tiefentladen wird. Da die Zellen in ihrer Kapazität differieren wird vor der vollständigen Entladung des Akkupacks die schwächste Zelle da sie schon leer ist durch die anderen falsch geladen.

Memory Effekt

Der Memory-Effekt äußert sich in einem frühen Spannungsabfall. Das führt effektiv zu einer Verringerung der Kapazität des Akkumulators, da Endverbraucher eine Minimalspannung benötigen.

Beim Aufladen eines NiCd-Akkus bilden sich Cadmium-Mikrokristalle. Wurde der Akku mehrfach nur bis zu einem bestimmten, gleichbleibenden Grad entladen, begünstigt das die Bildung grösserer Kristalle. Diese reagieren durch ihre reduzierte Oberfläche im Vergleich zu kleineren Kristallen beim Entladen schlechter und das bewirkt den Spannungseinbruch. Beobachtet wurde dieser Effekt in Satelliten.

Durch vollständiges Entladen/Laden ist der Prozess umkehrbar. Dabei besteht allerdings die Gefahr den Akkumulator zu beschädigen, daher sollte das nicht ständig geschehen.

Bedeutung

Die Bedeutung des Memory-Effekts ist umstritten, da eine Zelle schon mehrfach bis zur selben Entladestufe entladen werden müsste, damit der Memory-Effekt auftaucht. In der Praxis kommt das aber nur bei wenigen Geräten vor, beispielsweise bei schnurlosen Telefonen, die mehrmals nach einem kurzen Gespräch gleich wieder auf die Ladestation gelegt werden.

Spannungseinbrüche können auch durch andere Nebenwirkungen von Überladung entstehen.

Anwendung

Offene Zellen

  • Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (Notstromversorgung)
  • Zentrale Stromversorgungssysteme für Notbeleuchtung

Gasdichte Zellen

  • Consumerbereich allgemein
    • Spielzeug
    • Fotoapparate
    • Elektrische Werkzeuge
    • Fernbedienungen
    • usw.
  • Notbeleuchtung
  • Einzelbatterieleuchten


Weblinks


Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Nickel-Cadmium-Akku aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.