(Fidonet, Elektronik.ger, Jonny Dambrowski) Oliver Weindl
1. Allgemeines 2. Zellenaufbau 3. Vergleich der Systeme 4. Lade/Entlade-Eigenschaften 5. Vergleich diverser sekundaerelemente
1. Allgemeines
Unter den wideraufladbaren Geraetebatteriesystemen ist zur Zeit das System ni-cd mit Abstand vorherrschend, was an der Robustheit und der universalen Einsetz- barkeit liegt. Alle anderen verfuegbaren Systeme sind neu auf dem Markt oder Spezialsysteme fuer spezielle Anwendungen. Da das System Ni-Mh weitgehenst kompatibel dazu ist, zusatzvorteile bietet und in Zukunft weiterentwickelt wird, kann es in vielen Anwendungen die Rolle des NiCd Systems uebernehmen. Als weiteres System wird im Laufe der kommenden Jahre Lithium wiederaufladbar, auch unter der Bezeichnung Li/Swing oder Li/Ion bekannt, an Boden gewinnen. Da es sich hierbei um ein System mit 3 V handelt, ist keine Kompatibilitaet zu anderen Systemen gegeben, was eine Markteinfuehrung verlangsamt.
2. Zellenaufbau
die elektrochemischen Vorgaenge eine NiMh-zelle sind mit den der NiCd-zelle fast identisch, sie unterscheiden sich jedoch an den negativen Elektroden.
Wie von NiCd-Systemen bekannt ist,gibt es auch bei NiMh-Zellen eine Lade/Entla- dereserve, d.h. eine Ueberlade- und Teifentladefaehigkeit ohne Schaeden fuer den Akku. Dies wird erreicht, indem man die negative Elektrode groesser bzw. massenreicher gestaltet wie die positive Elektrode. Die Entstehung eines Sauerstoff- ueberdruckes durch Ueberladung wird wie bei der NiCd-Zelle durch Rekombination an der negativen Elektrode verhindert. Man muss also bei Ueberladung die entstehenden O2-Molekuele moeglichst schnell binden, um einen Ueberdruck zu verhindern bzw. das das Sicherheitsventil das Akkus nicht anspricht. Andererseits ist die negative Elektrode einer NiMh-Zelle in der Lage, Wasserstoff zu absorbieren, so das im Fall einer Tiefentladung oder Umplolung der an der positiven Elektrode entstehende Wasserstoff ebenfals zu einem gewissen Grad verzehrt werden kann. Das die Lade/Entladereserve nur in einem gewissen Bereich Wirkung zeigt, bedarf keiner weiteren Erwaehnung. Zur Verdeutlichung der Vorgaenge soll Bild 1 helfen.
Bild 1 - Vorgaenge an der Elektroden der NiMh-zelle
Ueberladen
------------------------------- + | ni(oh)2 | -- ------------------------------- \ \ | o2-verzehr ------------------------------------------ / - | | meh | me | <- ---- ------------------------------------- er lr
Tiefentladen
---------------------------------- -- | ni(oh)2 | + / ---------------------------------- | | h2-verzehr | \ ----------------------------------------- -> | mhe | mhe | me | - ----------------------------------------- er lr
er = entladereserve el = ladereserve
3. Vergleich der Systeme
Das Verhalten der NiMh-Zellen bei kleinen und mittleren Entladestroemen gleicht fast den der NiCd-Zellen. Bei grossen Entladestroemen sind NiCd-Akkus im Vorteil,d.h das sich grosse Entladestroeme bei NiCd-zellen weniger auf die Kapazitaet auswirken, wie bei NiMh-Akkus. Weitere Unterschiede ergeben sich zwischen NiMh -und NiCd-Zellen aber im Spannungverhalten waehrend der Ladung. Generell liegt die Ladespannug von NiMh-Zellen leicht unterhalb der NiCd-Zellen, und das fuer NiCd-typische Spannungsmaximum am ladeende bei hoeren Laststroemen ist bei NiMh-Zellen wesentlich schwaecher ausgepraegt. Deweiteren zeigen NiMh-Akkus 25%-100% groessere Kapazitaetswerte auf wie NiCd-Systeme bei gleicher Bauform. Die Groessenaenderung haengt natuerlich von der Baugroesse und des verwendeten NiCd-Systems ab. Ausserdem sind NiMh-Zellen ueber einen viel groesseren Temperaturbereich einsetzbar als NiCd-Systeme. laden: 0 .... 60 grad entladen: -20 ... 65 grad lagern: -40 ... 65 grad Die obere Grenze fuer NiMh-Zellen liegt also bei 65 grad. Ladespannungen sollten nicht unter 0 grad durchgefuehrt werden, da der unerwuenschte Druckaufbau die Zelle im unguenstiegen Fall zersteoren koennte. Ein weiterer grosser Vorteil der NiMh-Zelle ist, das sie keinen Memory-Effekt aufweist. Der Memory-Effekt wurde bereits in der NiCd-FAQ eroertert.
4. Lade/Entlade-Eigenschaften
Je hoeher der Ladestrom, desto hoeher ist die Ladeschlusspannung. Die Ladespannung von NiMh-Akkus weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf.( d.h je hoeher die Temperatur, desto geringer ist die _Lade_endspannung ). Die Ladespannungskennlinie verlaeuft sehr flach. Bei ereichen des Ladeendzustandes steigt die Spannung nochmal staerker an. Ladegeraete koennen diesen Spannungsanstieg auswerten und entsprechend auf Ladehaltestrom umschalten. Laedt man den NiMh-Akku ueber die Ladeendspannung hinaus weiter, so sinkt die Ladespannung wieder. Auch diesen Rueckgang der Spannung kann man als Abschaltkriterium verwenden. Meist lassen sich negative Spannungs- aenderungen schaltungstechnisch besser loesen, als positive. Der Anstieg bzw- der Rueckgang der Ladespannung ist temperaturabhaengig.
Anders ist es bei der Entladespannung. Sie ist um so groesser je hoeher die Temperatur ist. Die Kapazitaetsausbeute steigt mit der Temperatur. Bei hoeheren Temperaturen macht sich bei kleinen und mittleren Entladestroemen jedoch der gegenteilige Effekt bemerkbar. Daher verringert sich die Kapazitaet bei 60 Grad geringfuegig gegeueber der bei Raumtemperatur.
5. Vergleich diverser Sekundaersysteme ---------------------------------------------------------------------------- nicd blei nimh li/ion ---------------------------------------------------------------------------- energiedichte (volumenbezogen) - - ++ ++ zyklenverhalten ++ - ++ ++ selbstentladung + + + ++ schnelladefaehigkeit ++ - + - hochstrombelastbarkeit ++ + + - sicherheit und zuverlaessigkeit + ++ + - kosten + ++ - - spannungskompatibilitaet ++ - ++ -- umweltvertraeglichkeit -- -- + + spannungsstabiliatet beim entladen ++ -- ++ --
++ ausgezeichnet + gut - ausreichend feur viele anwendungen -- betraechtliche nachteile