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NiMH-Akku

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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

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:

NiMH-Akku Reduktion Pluspol Kathode Entladung StudySmarter

Negative Elektrode:

NiMH-Akku Oxidation Minuspol Anode Entladung StudySmarter

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:

NiMH-Akku Oxidation Pluspol Anode Ladeprozess StudySmarter

Negative Elektrode

NiMH-Akku Reduktion Minuspol Kathode Ladeprozess StudySmarter

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:

NiMH-Akku Gesamtreaktion Redoxreaktion Ladeprozess Entladeprozess StudySmarter

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.

NiMH-Akku Reaktionsgleichung Phase 1 Tiefentladung StudySmarter

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.

NiMH-Akku Reaktionsgleichung Phase 1 Tiefentladung StudySmarter

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.

NiMH-Akku Reaktionsgleichung Sauerstoffrekobinationsmechanismus StudySmarter

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

NiMH-Akku Reaktionsgleichung Sauerstoffrekombinationsmechanismus StudySmarter

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

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

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. 

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

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

Finales NiMH-Akku Quiz

Frage

Woraus besteht die positive Elektrode bei NiMH-Akkus?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Aktivmaterial der positiven Elektrode ist Nickeloxidhydroxid.

Frage anzeigen

Frage

Woraus besteht die negativen Elektrode bei NiMH-Akkus?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Aktivmaterial der negativen Elektrode ist Metallhydrid. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Tiefentladung?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Tiefentladung ist die Entladung eines Akkus unter die Entladeschlussspannung. 

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Frage

Was ist eine Überladung?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Überladung ist, wenn man einen Akku über die Ladeschlussspannung hinaus weiter auflädt. 

Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei den zwei Phasen der Tiefentladung?

Antwort anzeigen

Antwort

1. Phase:

Positive Elektrode vollständig entladen; Wasserstoffgas bildet sich 


2. Phase:

Aktivmaterial der negativen Elektrode aufgebraucht. Sauerstoffbildung und Adsorption an negativer Elektrode.


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Frage

Warum muss eine Tiefentladung verhindert werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einer zu starken Tiefentladung über die Wasserstoffrekombinationsrate hinaus, sammelt sich Wasserstoffgas in der Zelle an. Damit steigt der Druck. Das Sicherheitsventil wird die Zelle entlüften, wodurch Elemente verloren werden.

Frage anzeigen

Frage

Welcher Mechanismus verhindert eine gewisse Überladung?

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Antwort

Der Sauerstoffrekombinationsmechanismus verhindert bis zu einem bestimmten Grad eine Erhöhung des Zellinnendrucks. 

Frage anzeigen

Frage

Was passiert, wenn die Sauerstoffrekombinationsrate überschritten wird?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Innendruck der Zelle steigt an. Damit steigt zum einen die Temperatur, wodurch es zu einem Separator-Dry-Out kommen kann. Bei einer zu starken Überladung kann das Sicherheitsventil die Zelle entlüften. 

Frage anzeigen

Frage

Warum hat die negative Elektrode eine höhere effektive Kapazität?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine höhere MH-Kapazität ermöglicht die Gasrekombination bei Überladung und Tiefentladung und stabilisiert so den Innendruck der Zelle.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Selbstentladung und warum findet diese statt?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Selbstentladung ist der Entladeprozess, der stattfindet, obwohl der Akku nicht betrieben wird. Dieser tritt auf, weil Nebenreaktionen in den Elektroden oder Mikrokurzschlüsse stattfinden. 

Frage anzeigen

Frage

Warum tritt der Batterieträgheitseffekt auf?

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Antwort

Wenn ein Akku mehrmals teilentladen und aufgeladen wird, kommt es zum Batterieträgheitseffekt. Das liegt daran, dass das Aktivmaterial, welches nicht ent- und aufgeladen wird, seine physikalischen Eigenschaften ändert und den Widerstand erhöht.

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Frage

Wie kann man den Batterieträgheitseffekt beheben?

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Antwort

Dazu muss man das Aktivmaterial, welches seine physikalischen Eigenschaften geändert hat, regenerieren. Hierzu durchläuft der Akku vollständige Entlade- und Ladezyklen. 

Frage anzeigen

Frage

Warum entstehen bei Überladung und Tiefentladung Gase?

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Antwort

Wenn es kein Aktivmaterial mehr für die Reaktion von den Elektronen und Wasser bzw. Hydroxidionen gibt, reagieren diese miteinander, wodurch Gase entstehen. 

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