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 NiMH-Akku

Erstelle Lernmaterialien über NiMH-Akku mit unserer kostenlosen Lern-App!

  • Sofortiger Zugriff auf Millionen von Lernmaterialien
  • Karteikarten, Notizen, Übungsprüfungen und mehr
  • Alles, was du brauchst, um bei deinen Prüfungen zu glänzen
Kostenlos anmelden
Inhaltsangabe

    NiMH-Akku: Aufbau

    Nickel-Metallhydrid-Akkus bestehen aus Einzelzellen. Diese bestehen aus einer positiven Elektrode, welche aus Nickeloxidhydroxid als Aktivmaterial besteht und einer negativen Elektrode, welche eine Metalllegierung ist, die Wasserstoff adsorbieren kann.

    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.

    Aktivmaterialien eines Akkus oder einer Batterie sind chemisch aktive Substanzen. Diese sind das Material, aus dem die Elektroden bestehen und werden für die Energiespeicherung gebraucht. Die Adsorption ist ein Vorgang, der beschreibt, dass Atome oder Ionen sich auf einer Festkörperoberfläche anlagern.

    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:

    NiO(OH) + H2O + e- Ni(OH)2 + OH-

    Negative Elektrode:

    MH + OH- M + H2O + e-

    Im Metallhydrid liegt der Wasserstoff in der Oxidationsstufe -I vor und das Metall in der Oxidationsstufe +I. Beim Ablösen des Hydrids vom Metall bleibt ein Elektron des H- beim Metall und das verbleibende Elektron wird in den Stromkreislauf gegeben, erst so entsteht das Proton, dass mit dem Hydroxid zum Wasser reagieren kann.

    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:

    Ni(OH)2 + OH- NiO(OH) + H2O + e-

    Negative Elektrode

    M + H2O + e- MH + 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:

    Ni(OH)2 + M NiO(OH) + MH

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

    NiMH-Akku: Tiefentladung

    Von Tiefentladung ist die Rede, wenn ein Akku komplett entladen wird. Die Tiefentladung fängt nach der Unterschreitung der Entladeschlussspannung an. Für NiMH-Akkus beträgt diese 1,00 Volt.

    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 Selbstentladung bei Akkus oder Batterien ist der Entladeprozess, der stattfindet, obwohl es nicht angeschlossen ist oder betrieben wird. Grund für diese Selbstentladung sind Nebenreaktionen in den Elektroden, wodurch das Aktivmaterial verbraucht wird, oder auch Mikrokurzschlüsse durch einen beschädigten Separator. Dabei hängt die Selbstentladung von der Temperatur ab. Tiefere Lagertemperaturen führen zur weniger Selbstentladung und erhöhen die Lebensdauer.

    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 H2O + 2 e- H2 + 2 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 OH- H2O + 12 O2 + 2 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

    Von Überladung spricht man, wenn man einem Akku mehr Ladung zuführt, als erforderlich ist, um die gesamten Aktivmaterialien in den vollgeladenen Zustand zu versetzen. Die Überladung beginnt, wenn die Ladeschlussspannung überschritten wird. Bei NiMH-Akkus beträgt diese 1,45 Volt pro Einzelzelle.

    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 OH- H2O + 12O2 + 2 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 MH + O2 4 M + 2 H2O

    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.

    Im Englischen wird dieser Effekt als memory effect bezeichnet, denn es scheint, also würde sich der Akku die geringe Kapazität "merken".

    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.

    NiMH-Akku - Das Wichtigste

    • NiMH-Akkus bestehen aus mehreren Einzelzellen
    • Die Elektroden der NiMH-Akkus sind eine Metallhydrid- und eine Nickelhydroxid-Elektrode
    • Funktionsprinzip basiert auf der Wanderung von Protonen zwischen den Elektroden
    • Bei NiMH-Akkus gibt es Sicherheitsvorkehrungen, wie Sicherheitsventil und einer negativen Elektrode mit größerer Kapazität, um Explosionen zu verhindern
    • NiMH-Akkus haben eine Selbstentladung
    • Während der Tiefentladung entsteht ein Überschuss an Wasserstoffgas
      • Abhilfe: Wasserstoffrekombinationsmechanismus
    • Bei einer starken Überladung sammelt sich Sauerstoff in der Zelle an
      • Abhilfe: Sauerstoffrekombinationsmechanismus
    Häufig gestellte Fragen zum Thema NiMH-Akku

    Was ist beim Laden von NiMH-Akkus zu beachten?

    Bei NiMH-Akkus ist eine Überladung zu vermeiden. Man sollte sie auf die vollständige Kapazität laden und hohe Temperaturen vermeiden.

    Kann man einen NiMH-Akku überladen?

    Bei NiMH-Akkus kann es zu einer Überladung kommen, der unter anderem zu einem Separator-Dry-Out und zur Entlüftung der Zelle über das Sicherheitsventil führen kann. 

    Sind NiMH-Akkus gefährlich?

    NiMH-Akkus sind sichere Akkus. Denn trotz Tiefentladung oder Überladung, besteht keine Brand- oder Explosionsgefahr aufgrund des vorhandenen Sicherheitsventils. 

    Wann ist ein NiMH-Akku voll?

    Ein NiMH-Akku ist voll, wenn seine Ladeschlussspannung erreicht wird. Diese beträgt 1,45 V pro Einzelzelle. 

    Entdecken Lernmaterialien mit der kostenlosen StudySmarter App

    Kostenlos anmelden
    1
    Über StudySmarter

    StudySmarter ist ein weltweit anerkanntes Bildungstechnologie-Unternehmen, das eine ganzheitliche Lernplattform für Schüler und Studenten aller Altersstufen und Bildungsniveaus bietet. Unsere Plattform unterstützt das Lernen in einer breiten Palette von Fächern, einschließlich MINT, Sozialwissenschaften und Sprachen, und hilft den Schülern auch, weltweit verschiedene Tests und Prüfungen wie GCSE, A Level, SAT, ACT, Abitur und mehr erfolgreich zu meistern. Wir bieten eine umfangreiche Bibliothek von Lernmaterialien, einschließlich interaktiver Karteikarten, umfassender Lehrbuchlösungen und detaillierter Erklärungen. Die fortschrittliche Technologie und Werkzeuge, die wir zur Verfügung stellen, helfen Schülern, ihre eigenen Lernmaterialien zu erstellen. Die Inhalte von StudySmarter sind nicht nur von Experten geprüft, sondern werden auch regelmäßig aktualisiert, um Genauigkeit und Relevanz zu gewährleisten.

    Erfahre mehr
    StudySmarter Redaktionsteam

    Team Chemie Lehrer

    • 8 Minuten Lesezeit
    • Geprüft vom StudySmarter Redaktionsteam
    Erklärung speichern

    Lerne jederzeit. Lerne überall. Auf allen Geräten.

    Kostenfrei loslegen

    Melde dich an für Notizen & Bearbeitung. 100% for free.

    Schließ dich über 22 Millionen Schülern und Studierenden an und lerne mit unserer StudySmarter App!

    Die erste Lern-App, die wirklich alles bietet, was du brauchst, um deine Prüfungen an einem Ort zu meistern.

    • Karteikarten & Quizze
    • KI-Lernassistent
    • Lernplaner
    • Probeklausuren
    • Intelligente Notizen
    Schließ dich über 22 Millionen Schülern und Studierenden an und lerne mit unserer StudySmarter App!

    Alle Inhalte freischalten mit einem kostenlosen StudySmarter-Account.

    • Sofortiger Zugriff auf Millionen von Lernmaterialien.
    • Karteikarten, Notizen, Übungsprüfungen, AI-tools und mehr.
    • Alles, was du brauchst, um bei deinen Prüfungen zu bestehen.
    Second Popup Banner