NiMH-Akku

Nickel-Metallhydrid-Akkus kommen im Alltag regelmäßig zum Einsatz. Sie haben eine hohe Energiedichte und sind billig. Damit eignen sie sich als Ersatz für Alkaline-Primärelemente, sowie von Nickel-Cadmium-Akkus. Verwendet werden sie zum Beispiel in Kleinleuchten, Spielzeugen, Kameras und Elektrowerkzeugen.

NiMH-Akku: Aufbau

In dieser Legierung sind oft seltene Erden und Elemente wie Nickel und Cobalt vorzufinden. Zwischen den Elektroden befindet sich 20%ige Kalilauge (KOH) mit einem pH-Wert von 14 als Elektrolyt. Als letztes wird ein Separator (z. B. aus Polyolefin) benötigt, damit es zu keinem Kurzschluss kommt.

NiMH-Akku: Funktionsweise

Damit ein Akku elektrische Energie abgeben kann, muss eine Wanderung von elektrischen Ladungsträgern stattfinden. NiMH-Akkus basieren darauf, dass Protonen zwischen beiden Elektroden wandern, um dafür zu sorgen, dass die Elektroden während der Aufnahme und Abgabe von Elektronen über einen externen Stromkreis elektrisch neutral bleiben.

Das Entladen

Während des Entladeprozesses dissoziieren sich (ablösen/trennen) Protonen von der Metallhydridelektrode, bilden mit den Hydroxidionen des Elektrolyts Wassermoleküle und setzen Elektronen frei. Diese wandern über einen externen Stromkreis zur positiven Elektrode. An dieser wird Nickeloxidhydroxid zu Nickel(II)-hydroxid reduziert. Gleichzeitig wird ein Hydroxidion gebildet.

Positive Elektrode:

$\mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+{\mathrm{OH}}^{-}$

Negative Elektrode:

Das Laden

Wenn eine Spannung an den NiMH-Akku zum Laden angelegt wird, wird an der negativen Elektrode Wasser in Protonen und Hydroxidionen zersetzt. Die Hydroxidionen wandern durch das Elektrolyt zur positiven Elektrode und das Nickel(II)-hydroxid wird zu Nickeloxidhydroxid oxidiert. Dabei entstehen Wassermoleküle und ein Elektron, welches über ein externen Stromkreis zur Metallhydridelektrode wandert. Dort werden die Protonen zu Wasserstoff reduziert, welche dann von der Metalllegierung adsorbiert werden. Nun sind die Wasserstoffatome in Form von Metallhydrid gespeichert.

Positive Elektrode:

$\mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+{\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{e}}^{-}$

Negative Elektrode

$\mathrm{M}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{MH}+{\mathrm{OH}}^{-}$

Kriterien für eine effektive Aufladung

• Aufladung des Akkus bis zur vollständigen Kapazität
• Begrenzen des Überladungsausmaßes
• Vermeiden hoher Temperaturen und übermäßige Temperaturschwankungen

Die Grundreaktion

Die Gesamtreaktion während des Ent- und Aufladens kann man wie folgt zusammenfassen:

$\mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+\mathrm{M}\rightleftharpoons \mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)+\mathrm{MH}$

Von links nach rechts ist der Aufladeprozess, während von rechts nach links der Entladeprozess dargestellt ist.

NiMH-Akku: Tiefentladung

Wenn man einen Akku tiefentlädt, führt dies zur Schädigung des Akkus. Dadurch kann es dazu kommen, dass der Akku nicht mehr wieder oder nicht vollständig aufgeladen werden kann. Damit wäre der Akku unbrauchbar. Zur Tiefentladung kann es unter anderem durch die Selbstentladung kommen. Denn wurde ein Akku entladen und wird nicht wieder aufgeladen, wird durch die Selbstentladung die Entladeschlussspannung unterschritten. Daher sollte man Akkus nie entladen lagern.

Die Phasen der Tiefentladung

Phase 1

Die erste Phase der Tiefentladung beginnt, wenn das Aktivmaterial der positiven Elektrode vollständig entladen ist und sich an dieser Elektrode Wasserstoffgas bildet.

$2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2{\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2+2{\mathrm{OH}}^{-}$

Ein Teil dieses Gases wird von der Metallelektrode absorbiert (Wasserstoffrekombination), der Rest sammelt sich in der Zelle an.

Phase 2

Wenn nun weiter entladen wird, tritt die Phase 2 ein, in der nun auch das Aktivmaterial der negativen Elektrode vollständig aufgebraucht wird. Danach beginnt die negative Elektrode Sauerstoff zu adsorbieren, dass an ihr entsteht.

$2{\mathrm{OH}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}$

Das führt zum Verlust der nutzbaren Kapazität dieser Elektrode, denn durch die Sauerstoffadsorption besetzen Sauerstoffmoleküle die Wasserstoffbindungsstellen. Dadurch sammelt sich mehr Wasserstoffgas im Zellinneren an, da er nicht adsorbiert werden kann. Dies steigert den Zellinnendruck und damit auch die Temperatur.

Das Sicherheitsventil

NiMH-Akkus haben ein Sicherheitsventil, welches sich öffnet, wenn ein zu hoher Zellinnendruck herrscht, um eine Explosion zu verhindern. Die Zelle wird über das Sicherheitsventil entlüftet. Dabei verliert die Zelle Elemente, um richtig funktionieren zu können und ist zerstört. Bei der Tiefentladung verliert es Wasserstoff, wodurch die Menge an Wasserstoff im Zellinneren reduziert wird.

NiMH-Akku überladen

Sauerstoffrekombinationsmechanismus

Überladung beginnt, wenn die positive Elektrode seine volle Kapazität erreicht, d. h. wenn kein Nickelhydroxid mehr da ist, um mit weiteren Hydroxidionen des Elektrolyten zu reagieren und zur Sauerstoffbildung führt.

$2{\mathrm{OH}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}$

Dieser Sauerstoff diffundiert durch den Separator zur negativen Elektrode und reagiert bis zu einer bestimmten Rate mit der Metallhydrid-Elektrode, wobei Wasser entsteht.

$4\mathrm{MH}+{\mathrm{O}}_2\to 4\mathrm{M}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Diese Reaktion wird Sauerstoff-Rekombinationsmechanismus genannt und stabilisiert den Innendruck der Zelle.

Weitere Überladung

Wenn ein Akku nun diese Rekombinationsrate überschreitet, weil es weiter überladen wird, wird der Innendruck ansteigen. Das führt zu zwei Zuständen:

1. Die Temperatur in der Zelle steigt an und kann dazu führen, dass der Separator Elektrolyt verliert ("Separator-Dry-Out"), was den Transport von Wasserstoff zwischen den Elektroden behindert.
2. Wenn eine Zelle zu stark überladen wird, kann das Sicherheitsventil die Zelle wieder entlüften.

Abhilfe

Eine Abhilfe, um einer Überladung entgegenzuwirken, ist das Verhältnis von negativem zu positivem Pol (N/P). Es basiert auf der Verwendung einer negativen Elektrode (MH), die eine höhere effektive Kapazität hat als die positive Elektrode (Ni). Der Überschuss an MH-Kapazität ermöglicht die Gasrekombination bei Überladung (Sauerstoffrekombination) und Tiefentladung (Wasserstoffrekombination) zu ermöglichen. Außerdem muss die Ladung kontrolliert und rechtzeitig beendet werden.

NiMH-Akku: Batterieträgheitseffekt

Bei NiMH-Akkus kann der Batterieträgheitseffekt auftreten. Dieser Effekt beschreibt die Situation, bei dem der Akku allmählich seine maximale Kapazität verliert und es zu einem Spannungsabfall kommt, wenn der Akku mehrmals teilentladen und wieder aufgeladen wird. Das liegt daran, dass bei einer Teilentladung und Wiederaufladung nur ein Teil des Aktivmaterials geladen und entladen wird. Der Teil des Aktivmaterials, der nicht ent- und aufgeladen wird, ändert seine physikalischen Eigenschaften und erhöht seinen Widerstand.

Regenerieren

Der Batterieträgheitseffekt kann wieder behoben werden, wenn das Aktivmaterial regeneriert wird. Hierzu entlädt man den Akku bis zur Entladeschlussspannung und lädt ihn wieder komplett auf. Diese vollständigen Entlade- und Ladezyklen werden mehrmals wiederholt.

NiMH-Akku: Lebensdauer

NiMH-Akkus haben eine sehr lange Solllebensdauer. Mit der richtigen Pflege und Nutzung beträgt diese etwa 500–1000 Ladezyklen. Allerdings kommen NiMH-Akkus wegen ihrer Selbstentladung nicht zum Einsatz in Geräten, bei denen ein langer Betrieb von Monaten bis hin zu Jahren pro Ladung erwünscht wird.