AKKU-FAQ
(Fidonet, Elektronik.ger, Jonny Dambrowski)
Oliver Weindl

 

1. Allgemeine Eigenschaften der NiCd-Akkus. 

2. Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle. 

3. Welches Elektrolyt verwendet man fuer NiCd-Zellen. 

4. Warum sind neue NiCd-Akkus immer leer ? 

5. Wichtige Groessen und spezielle Eingenschaften von NiCd- Akkus? 
5.1. Wann und und wieso bilden sich im Akku Gase ? 

5.2. Was bedeutet Lade -und Entladeschlusspannung ? 

5.3. Wie hoch ist die Leerlauf- und Klemmspannung einer NiCd-Zelle? 

5.4. Was bedeutet Selbstentladung und wovon haengt sie ab ? 

5.5. Welche Rolle spielt die Temperatur beim Akku ? 

5.6. Was hat es mit dem Memory-Effekt bei NiCd-Akkus aufsich ? 

5.7. Wovon ist die Kapazitaet abhaengig ? 
6.0. Durch welche Massnahmen kann man die Eigenschaften vom NiCd verbessern ? 

7.0. Welche Aufgabe hat der Separator in einem NC-Akku ? 

8.0. Einige technische Daten. 

9.0. Welche Ladeverfahren gibt es ? 

 
A Anhang NIMH Akkus
 

1. Allgemeine Eigenschaften der NiCd-Akkus 

 
Wohl einer der Hauptvorteile von NiCd- Systemen sind vorallem lange 

Lagerfaehigkeit im entladenen Zustand, sowie die Tiefentladefaehigkeit. 

Man muss dies aber einschraenken, denn schaltet man mehrere NiCd-Zellen 

hintereinander, dann besteht die Gefahr, dass sich nach einer Tiefentladung 

eine einzelne Zelle umpolt, dazu spaeter mehr. 

Natuerlich ist auch die groessere mechanische Stabilitaet und das gute 

Verhaeltnis von Masse (Gewicht) zu Kapazitaet zu erwaehnen. 

 
Nickel und Cadmium 

Cadmium besitzt das Formelzeichen Cd und geheort wie Blei zu den Schwermetallen, 

Daher sind alle Cd-Verbindungen sehr giftig. 

Nickel besitzt das Formelzeichen Ni und gehoert ebenfalls zu den 

Schwermetallen. 

 
Praktisch verwendbare NiCd-Systeme gibt es erst seit der Jahrhundertwende. 

Nachdem sich Thomas A. Edison in seinen Forschungen auf Nickel / Eisen- Systeme 

konzentrierte, schuf Waldemar Jungner 1899 den ersten spaeter in Serie 

gefertigten NiCd-Akku. Gasdichte NiCd- Zellen konnten erst nach 1933 

hergestellt werden, nachdem A.Sassler mit seinen Forschungen die Grundlage 

dafuer gelegt hat. Seinerzeit war auch schon das Prinzip der Sinterelektroden 

bekannt. Der naechste Technologiesprung  Mitte der 80'iger Jahre brachte dann 

die Metallschaumelektrode und einige weitere Verbesserungen. Damit war es 

gelungen, in den Abmessungen einer Mignonzelle eine Kapazitaet von ueber 

1 Ah unterzubringen. 

 
 

2. Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle. 

 
In einer NiCd-Zelle besteht die positive Elektrode aus Nickelhydroxid (NiO2H), 

in der Regel mit einem Graphitzusatz um die Leitfaehigkeit zu verbessern. Bei 

gasdichten NC-Zellen ist es heute allgemein ueblich, einen Anteil sogenannter 

antipolarer Masse als Umpolschutz, meist Cadmiumhydroxid ( Cd (OH)2) hinzu- 

zufuegen. Die positive Nickel-Elektrode laesst sich naemlich viel schlechter 

Laden als die negative Cadmium-Elektrode. Der Zusatz von Cadmiumhydroxid bildet 

eine Ladereserve, welcher die Wasserzersetzung und somit die Bindung von 

Wasserstoffgas verhindert. Die Chemische Umwandlung des Wasserstoffs durch 

Oxidation an der positiven Elektrode verlaeuft so langsam, das er fuer 

Rekombinationszwecke in der Zelle nicht brauchbar ist. Dieser Wasserstoff- 

ueberschuss, der zu einem Druckanstieg in der Zelle fuehren wuerde, nimmt die 

Ladereserve auf und sorgt gleichzeitig fuer einen gewissen Umpolschutz. 

Die negative Elektrode besteht aus pulverisierten Cadmiumverbindungen. Auch 

hier befinden sich zur Verbesserung der elektrischen Leitfaehigkeit 

eingelagerte Graphitpartikel, auch hier gibt es analog zu positiven Elektrode 

eine Entlade - und Ladereserve, welche dadurch realisiert wird, dass mehr 

Elektrodenmasse als eigentlich erforderlich verwendet wird. Bei Ueberladung 

wird dann der gesamte Ladestrom zur Suerstoffreduktion an der negativen 

Elektrode verwendet ohne dass es zu einem unzulaesisgen Druckanstieg kommt. 

Trotz all dieser Massnahmen hat natuerlich die Umpolfestigkeit auch ihre 

Grenzen. 

In Grosserienfertigung werden die Elektrodenmaterialien in die gewuenschte 

Form gepresst und dann zur mechanischen Stabilisierung mit einem feinmaschigen 

Nickeldraht umgeben. Dieses leitfaehiges Nickelnetz dient auch zur 

gleichmaessigen Ladungsverteilung. 

 

 
3. Welches Elektrolyt verwendet man fuer NiCd-Zellen ? 

 
In NC-Elementen dient Kalilauge (KOH) als Elektrolyt, ueblicherweise mit einer 

Dichte von 1,27 kg/l. Sie kann aber auch leicht variieren. Bei hoeheren 

Saeurekonzentrationen ist zwar mit hoeherer Kapazitaet zu rechnen, jedoch geht 

dies sehr zu Lasten der Lebensdauer einer Zelle. Uebrigens bleibt die 

Saeuredichte einer NiCd-Zelle waehrend der Ladung und Entladung ziemlich 

konstant, da sich die Reaktionen an der negativen und an der positiven 

Elektrode nahezu kompensieren. 

 
4. Warum sind neue NiCd-Akkus immer leer ? 

 
Grundsaetzlich fliesst bei jedem Akku ein Entladestrom, auch wenn dieser nicht 

belastet wird. (=Selbstentladung) Akkus mit Sinterelektroden besitzen eine 

deutlich hoehere Selbstentladung. 

Man muss die erste Ladung (=Formatierungsladung) sehr gewissenhaft durchfuehren, 

um eine hoehere Lebensdauer zu erreichen. Der Grund ist, dass bei der ersten 

Ladung, sich die elektrisch aktiven Schichten an den Elektroden ausbilden. 

Wuerde man den Akku geladen ausliefern, so wuerde bereits vor der Formatierung 

eine gewisse Selbstantladung stattfinden. Die volle Kapazitaet erreichen 

NC-Akkus erst nach 6 Lade -Entladezyklen. 

 
5. Wichtige Groessen und spezielle Eigenschaften von NC-Akkus 

 
5.1 Wann und wieso bilden sich im Akku Gase ? 

 
Bei Erreichen des Ladeendzustandes werden die waessrigen Anteile des Elektrolyts 

zersetzt; es entstehen (an der positiven Platte) Sauerstoff und Wasserstoff 

(an der negativen Platte), die normalerweise von der Gegenelektrode absorbiert 

werden. Beim Ueberladen bewirkt diese Knallgas-Erzeugung (Gasung) einen Druck- 

anstieg in der Zelle, der bis zur Explosion fuehren kann. Daher sind alle 

Akkus (auch die dichten Zellen) mit einem Sicherheitsventil versehen, das bei 

hohen Innendruck anspricht. 

 
 

5.2 Was bedeutet Lade-Entladeschlusspannung ? 

 
Die Ladeschlusspannung ist die Klemmspannung bei voll aufgeladenem Akku 

mit angeschlossenem Ladegeraet. 

Sie betraegt bei NC-Zellen ca. 1.50 V. 

 
Die Entladeschlusspannung ist der Wert der Klemmspannung die der Akku gerade 

noch erreichen darf, ehe er tiefententladen wird. 

Eine Tiefentladung des Akkus bedeutet immer eine Verkuerzung der Lebensdauer. 

Entladeschlusspannung betraegt bei NC-Zellen ca. 0.85 V. 

Ein leer werdender Akku muss also rechtzeitig nachgeladen werden. Dabei ist 

darauf zu achten, dass die Nennkapazitaet niemals zu 100% entnommen wird, da hier 

Schaeden auftreten. 

Obwohl NiCd-Zellen recht unempfinlich gegen gelegentliche Tiefentladungen sind, 

sollte die Entladeschlusspannung nie unterschritten werden. Sonst koennen 

naemlich im Zellenverbund (bei Akku-Packs) einzelne Zellen bereits leer sein, 

waehrend die Nachbarn noch etwas Ladung haben. Diese Nachbar-Zellen haben aber 

fuer die entladene Zelle die falsche Polaritaet, so dass hier zu einem 

Umpoleffekt kommen kann, der zur Zerstoerung der leergepumpten Zelle fuehren 

kann. 

 
 

5.3 Wie hoch ist die Leerlauf und die Klemmspannung einer NC-Zelle? 

 
Die Leerlaufspannung einer NC-Zelle betraegt ca.1.299 V. 

Die Klemmspanng ist die bei angeschlossener Last an den Klemmen liegende 

Spannung. 

 
5.4 Was bedeutet Selbstentladung und wovon haengt sie ab? 

 
Auch ohne Belastung geht mit der Zeit ein Teil der im Akku gespeicherten 

elektrischen Energie verloren. Mit steigender Temperatur nimmt dieser Effekt 

stark zu. Die Ursache dafuer ist im schnellen Zerfall des hochaufgeladenen 

Nickelhydroxides auf der positiven Elektrode zu suchen. Dabei wird Sauerstoff 

abgespalten, der eine aequivalente Reduktion auf der negativen Elektrode 

bewirkt.Zudem haben die inneren Selbstentladestroeme durch vagabundierende 

Ionen eine nicht unbedeutende Wirkung. Selbstverstaendlich kann durch die 

Bauform die Selbstentladung beeinflusst (aber nicht vermieden) werden. 

 
Faustregel: 

Eine Verringerung der (Lager)-Temperatur um 10 grad, halbiert die Groesse der 

Selbstenladung und verdoppelt somit die moegliche Lagerfaehigkeit. 

 
Bei tiefen Temperaturen ist die Selbstentladung vernachlaessigbar. 

Reduktion= das Gegenteil von Oxidation, also Abspaltung des Sauerstoffes. 

 
 

5.5 Welche Rolle spielt die Temperatur im Akku ? 

 
Viele Eigenschaften von Akkus aendern sich mit schwankender Temperatur. 

 
Eine Angabe von Bsp. 1Ah = 1000mAh besagt, das man bei 1/10 des Nennstromes 

(100mA) rund 10 h benoetigt, um den Akku restlos auszuschoepfen. Dies ist aber 

nicht erwuenscht (s.o.) Ausserdem ist die Stromausbeute sehr stark Temperatur- 

abhaengig. Wie wir schon von der Schule her wissen, laufen chemische Reaktionen 

bei erhoeten Temperaturen wesentlich schneller ab, das gilt auch fuer die 

Selbstentladung, die in diesem Fall die verfuegbare Kapazitaet ziemlich stark 

einschraenkt. 

Aber auch Kaelte beeinflusst die Eigenschaften des Akkus. Kaelte bremst die 

chemischen Vorgaenge im Akku, da der Ionenstrom im Elektrolyt langsamer 

ablaeuft. Dies bewirkt wiederum eine Zunahme des Innenewiderstandes und 

eine kleinere verfuegbare Klemmspannung. 

 
 

5.6 Was hat es mit dem Memory-Effekt auf sich ? 

 
Hierbei tritt eine Kapazitaetsminderung auf, wenn der Akku oft teilentladen 

wird und dann (fachgerecht) aufgeladen wird. Man erklaert sich den Vorgang 

durch eine Kristallvergroesserung des Nickelhydroxids und des Cadmiums 

an den Elektroden und den damit verbundenen Oberflaechenschwund. 

Dies kann bis zu einen kristallinen Kurzschluss fuehren. Durch gezieltes 

Tiefentladen und dann wider  fachgerechtes Aufladen kann der Akku 

einigermassen wieder "fit" gemacht werden. 

 
 

5.7 Wovon ist die Kapazitaet abhaengig ? 

 
Die verfuegbare Kapazitaet in Abhaenigkeit vom Entladestrom ist stark vom 

Aufbau abhaengig, wobei man die Zellengroesse als Faustkriterium nehmen kann. 

Bei kleinen Zellen (300mAh) sind bei 1C gerade mal 60% verfuegbar, bei Zellen 

mit 1,5Ah sind bei 1C noch 95% verfuegbar, speziellen Zellen liegen bei 1C 

noch weit ueber der Nennkapazitaet. Immer noch Spitze sind die 1,7Ah-Zellen 

von Sanyo (56g), die z.B. einen Strom von 65A (=38C) immerhin noch 80s lang 

liefern koennen, das entspricht einer entnehmbaren Kapazitaet von 85% bei 

38C. 

 
 

6.0  Durch welche Massnahmen kann man die Eigenschaften einer NiCd-Zelle verbessern ? 

 
Etwas aufwaendiger und teurer sind NiCd-Akkus mit Sinterfolien-Elektroden. 

Hierbei dient ein vernickeltes Stahlgewebe als Traeger, auf welches das 

Elektrodenmaterial, also NiOOH = positive Elektrode u. Cd = negative 

Elektrode, staubfoermig aufgebracht wird. 

Unter sehr hohen Temperaturen und Druecken sintern dann diese Stoffe zusammen 

und ergeben rauhe Oberflaechen. Durch die nun sehr grosse aktive Oberflaeche, 

ergeben sich folgende Eigenschaften: sehr geringen Innenwiderstand 

hohe Entladestroeme und eine gute Ueberladefestigkeit, da ja durch die grosse 

Oberflaeche die Gase (O und H) bei Ueberladung sich besser an den Elektroden 

binden koennen. Desweiteren besitzen solche Akkus bis zu 20 % mehr Kapazitaet. 

Weniger verbreitet sind Akkus mit Metallschaumelektroden.Ein selbsttragender 

Metallschaum oder Metallschwamm kann zu einem Wickel geformt, vollautomatisch 

zu Elektroden, verarbeitet werden. 

7.0. Welche Aufgabe hat der Separator in einem NC-Akku ? 

 
Damit die Elektroden immer einen optimalen Abstand haben, muss man sie stets 

mechansich fixieren. Diese Aufgabe uebernimmt der Separator (er wird oft auch 

als Scheider bezeichnet). Er beeinflusst die Zelle sehr wesentlich. Der 

Separator muss einerseits die Elektroden sicher voneinander trennen, und 

andererseits flexibel sein und das ueber einen grossen Temperaturbereich. 

Er darf fuer den Ionenfluss nur ein sehr minimaler Widerstand sein, soll 

aber gleichzeitig hochisolierend sein. Zudem darf der Separator nicht durch 

Saeure oder Lauge angegriffen werden. Als Materialien eignen sich Folien 

wie Vliese, Polyamid oder Polypropylen. Diese werden noch einer speziellen 

Oberflaechenbehandlung unterzogen. 

 
 

8.0 Einige technische Daten 

 
Spezifische Energiedichte : 21-27 Wh/kg 

elektrochemische Spannung 

der Gesamtreaktion        : 1.299 V 

Innenwiderstand           : 5m Ohm

 
                                                     entnommene Kapazitaet        Qab 

Ladewirkungsgrad nAH  =   :  ---------------------------------  =  ----- 

                                                     zugegebene Kapazitaet         Qzu 

 
Ladewirkungsgrad          : ca. 83 % - 72 % 

 
Endladeschlusspannung     : 0.85 V 

 
Die generelle obere 

Temperaturgrenze von NiCd : bei etwa 65  Grad 

 
Dauertemperaturen ab etwa 

45 Grad erfordern bereits 

einen speziellen Zellenaufbau. 

 
Unterhalb -10 Grad hat 

die Zellenspannung einen 

negativen Temp-Koeffizienten 

Der Abfall betraegt etwa     :   3mV/Grad. 

 
 

9.0 Welche Ladeverfahren gibt es ? 

 
 

 Von  : Wolfgang Klein                      2:245/6807.30 

 
14 Stunden Normalladung mit Konstantstrom: (Laden ca. 1/10 des Nennstromes) 

   Die Ladedauer ist lang, 

   teilentladene Akkus werden ueberladen und verlieren 

   ihre Speicherkapazitaet (Memoryeffekt), 

   tiefentladene Akkus werden nicht regeneriert. 

 
Definiertes Entladen und anschliessende 14 Stunden 

Normalladung: 

   Die Ueberladung und der Memoryeffekt werden ver- 

   hindert. 

   Die Regeneration schwacher Akkus ist maessig. 

 
Entladen und anschliessende zeitgesteuerte Schnelladung: 

   Die Vorteile sind kurze Ladezeiten und bessere Re- 

   generation. 

   Wegen des unterschiedlichen Wirkungsgrades verschiedener 

   Akkutypen wird der Akku jedoch meist ueber- oder unterladen. 

   Schnelladefaehige, also teure Akkutypen sind notwendig. 

 
Entladen und anschliessende Schnelladung mit Spannungs- 

ueberwachung: 

   Von der Zellenspannung kann nur bedingt auf den Lade- 

   zustand geschlossen werden. 

   Zudem ist die Spannung des vollen Akkus von Typ zu Typ 

   unterschiedlich. 

   Deshalb sind die Akkus oft teils ueber- oder unterladen. 

 
Entladen und Schnelladung mit Temperaturueberwachung: 

   Der Temperaturanstieg waerend der Ladung ist ein gutes 

   Mass fuer den Ladezustand. 

   Der Kontakt von Fuehler und Akku ist oft problematisch. 

 
Entladen und Schnelladung mit Delta - Peak - Abschaltung: 

   Da die Zellenspannung des Akkus aufgrund des Temperatur- 

   anstieges sinkt, ist dies ein sehr gutes Abschaltkriterium. 

   Die Elektronik macht Fertiggeraete teuer, und wegen der 

   erforderlich hohen Ladestroeme duerfen keine Normalakkus 

   benutzt werden. 

 
Entladen und Laden nach dem Reflexprinzip: 

   Das derzeit modernste Ladeverfahren erlaubt eine Schnell- 

   ladung aehnlich der Delta-Peak-Methode auch bei Normalakkus. 

   Kurze Entladeimpulse waehrend der Ladephase erhalten die 

   chemische Reaktionen in der Akkuzelle in einem guenstigen 

   Bereich. 

 
Anmerkungen zum Reflexprinzip: 

   Das wesentliche Element des von Christie Electric Corp. 

   1988 patentierten Reflexverfahrens liegt darin, dass waeh- 

   rend eines Ladevorgangs (mit hohem Strom) periodisch fuer 

   eine kurze Zeit (mit einem noch hoeheren Strom) entladen 

   wird. 

 
   Der Sinn des Prozedur ist: Waehrend des Ladens mit hohem 

   Strom entstehen durch Elektrolyseprozesse kleine Sauer- 

   stoffblaeschen an den Elektroden. Dadurch wird die effektive 

   Elektrodenoberflaeche reduziert und so die Impedanz der Zelle 

   erhoeht. Eine erhoehte Zellenimpedanz hat aber eine geringere 

   Ladeeffektivitaet und zudem eine hoehere Temperatur zur Folge. 

 
   Um dies zu vermeiden, ist der periodische Entladepuls vorge- 

   sehen. Dieser Entladepuls loest Blaeschen von den Elektroden 

   ab und foerdert durch den nun umgekehrten Stromfluss die Re- 

   kombination des Sauerstoffs an der negativen Elektrode. Die 

   Strategie arbeitet aber nur dann zuverlaessig, wenn die Gas- 

   blaeschen noch klein sind. Aus diesem Grunde erfolgt der Ent- 

   ladepuls etwa jede Sekunde. 

 
   Der Vorteil des Verfahrens liegt nun nicht nur im hoeheren 

   zulaessigen Ladestrom. Die Effektivitaet des Ladevorganges 

   steigert sich naemlich auch noch dadurch, dass (NiCd-typisch) 

   allein schon durch die Hochstromladung eine zusaetzliche 

   hoehere Effektivitaet erreicht wird. 

 
   Waehrend die Effektivitaet beim Reflex-Prinzip mehr als 95 

   prozent (bei minimaler Zellenerwaermung) erreicht, liegt 

   die Effektivitaet bei konventioneller C/3-Ladung bei nur 

   etwa 70 prozent. 

 
   Das Reflex-Prinzip setzt also mehr Energie in Ladung statt 

   in Gasentwicklung um. 

 
Dass bei dieser Lademethode ein Memoryeffekt vermieden bzw. 

ein bestehender Memoeffekt rueckgaengig gemacht wird (Aufbrechen 

der Kristalstrukturen) braucht keiner besonderen Erwaehnung.