Nickel-Metallhydrid-Akku

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Ein Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) ist ein Akkumulator, der baugleich zu handelsüblichen Batterien hergestellt wird. Die meisten elektrischen Geräte sind so ausgelegt, dass sie auch mit fast leeren Batterien funktionieren. Deshalb lassen sie sich auch mit Akkus betreiben, die nur eine Spannung von 1,2 V liefern – 0,3 V weniger als eine normale Batterie.

NiMH-Akkus werden mittelfristig Akkus auf der Basis von Nickel-Cadmium verdrängen, da sie kein giftiges Schwermetall wie Cadmium enthalten. Die EU erlässt möglicherweise in den nächsten Jahren europaweite Verbote.

NiMH-Akkus haben die doppelte Energiedichte und fast die gleiche Spannung. Die Lebensdauer ist mit ca. 500 Ladezyklen etwas geringer als die eines NiCd Akkus, bei sachgemäßer Aufladung. Bei einmaligem Wiederaufladen pro Woche ergibt sich trotzdem eine Lebensdauer von etwa zehn Jahren!

Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Das Bild rechts zeigt die Komponenten eines geöffneten NiMH-Akkus. Die Lochfolie (links) dient als Träger für das Metallhydrid-Pulver. Das Pulver bildet die Anode. Der Separator (Mitte) nimmt den Elektrolyten auf und verhindert den unmittelbaren Kontakt zur Kathode. Diese besteht aus einem Blech aus schwarzem Nickeloxid-Hydrat (rechts).

Die Folien werden mit außen liegender Anode aufgewickelt und mit einem Metallzylinder ummantelt (aufgesägt, unten links). Das Gehäuse ist elektrisch leitend mit der Anode verbunden, es ist der Minus-Pol des Akkus. Eine elektrische Zuleitung vom Nickeloxid-Blech (rechts, blauisolierter Metallstreifen) führt zum Kopf der Zelle und bildet den Plus-Pol.

Elektrochemie

Die Anode besteht aus einer Metall-Legierung, die reversibel Wasserstoff speichern kann. Als Metall-Legierung wird zum Beispiel La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1 verwendet. Das Elektrolyt enthält 20%ige Kalilauge mit einem pH-Wert von 14, Nickelhydroxid bildet die Kathode.

Beim Entladen wird der Wasserstoff oxidiert. Die dadurch entstehenden <math>H^+</math>-Ionen (Wasserstoffionen) reagieren mit den OH--Ionen der Kalilauge zu Wasser. Das Redox-Potential bei pH 14 beträgt ca. -0,83 V.

An der Kathode wird Nickel von Ni(III)O(OH) zu Ni(II)(OH)2 reduziert. Die Redox-Spannung beträgt ca. +0,49 V. Die Gesamt-Spannung der Summen-Reaktion beträgt 1,32 V:

  1. Metall-H2 + 2OH- <-> Metall + 2H2O + 2e- -0,83V
  2. 2NiOOH + 2H2O + 2e- <-> 2Ni(OH)2 + 2OH- +0,49V
  3. Metall-H2 + 2NiOOH <-> Metall + 2Ni(OH)2 Summe: 1,32 V Leerlaufspannung

Damit gegen Ende der Entladung nicht das Metall statt des Wasserstoffs oxidiert wird, verbaut man eine negative Elektrode, die viel größer ist als die positive Elektrode, die damit die Kapazität des Akkumulators bestimmt.

Eigenschaften

Die Energiedichte einer NiMH-Zelle beträgt ca. 80 Wh/kg und ist damit fast so groß wie die einer Alkali-Mangan-Batterie und mehr als doppelt so groß wie die eines Akkus auf Ni-Cd Basis. Kapazitäten von 1300 bis 2500 mAh und mehr sind für die Baugröße AA bereits erhältlich, für die Grösse AAA gibt es Akkus bis zu 800 mAh. Zellen lassen sich ca. 500 Mal wieder aufladen.

Aufladung

Verwendung

Im PKW des Typs Toyota Prius wird die bislang größte serienmäßig hergestellte Nickel-Metallhydrid-Batterie zum Antrieb eines 33 kW Elektromotors eingesetzt. Sie besteht aus 228 in Reihe geschalteter Zellen mit einer Kapazität von jeweils 6,5 Ah. Die Zellen stellen eine Spannung von 228 * 1,2 V = 273,6 Volt bereit. Die Entladung ist auf 40% der Gesamt-Energie von 273,6 V * 6,5 Ah = 1750 Wh begrenzt. Einschließlich Ladeelektronik wiegt die Batterie 53,3 kg.

Im Wesentlichen ist die Verwendung des NiMH-Akkumulators vergleichbar mit den Verwendungen für den NiCd-Akku. Akkus kommen vor allem dort zum Zug, wo hoher Strombedarf besteht. Dazu will man besonders im Freizeitbereich teure Käufe von herkömmlichen Batterien vermeiden. Strom aus normalen Batterien kostet normalerweise etwa 400 bis 800 mal mehr als solcher aus Akkus, wo fast nur die Kosten des Haushaltsstroms anfallen.

  • Spielzeug: besonders Modellrennautos, Modellmotorboote
  • Fotoapparate und Videokameras
  • Elektrische Werkzeuge wie Bohrmaschinen

NiMH-Akkus sind auch gebräuchlich als Stromspeicher in Notbeleuchtungsanlagen.

Das Weltraumteleskop Hubble verwendet ebenfalls NiMH-Batterien zur Stromversorgung und Speicherung von Solarstrom.

Weblinks


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