Nickel-Cadmium-Batterie - Nickel–cadmium battery

Nickel-Cadmium-Akku
NiCd verschiedene.jpg
Von oben nach unten: "Gumstick", AA- und AAA-Ni-Cd-Batterien
Spezifische Energie 40–60 W · h / kg
Energiedichte 50–150 W·h/ L
Spezifische Leistung 150 W/kg
Lade-/Entladeeffizienz 70–90%
Selbstentladungsrate 10%/Monat
Zyklushaltbarkeit 2.000 Zyklen
Zellnennspannung 1,2 V

Die Nickel-Cadmium-Batterie ( Ni-Cd-Batterie oder NiCad-Batterie ) ist eine Art wiederaufladbarer Batterie , die Nickeloxidhydroxid und metallisches Cadmium als Elektroden verwendet . Die Abkürzung Ni-Cd leitet sich von den chemischen Symbolen für Nickel (Ni) und Cadmium (Cd) ab: Die Abkürzung NiCad ist ein eingetragenes Warenzeichen der SAFT Corporation , obwohl dieser Markenname üblicherweise zur Beschreibung aller Ni-Cd-Akkus verwendet wird.

Nasszelle Nickel-Cadmium - Batterien wurden erfunden 1899. A Ni-Cd - Batterie hat eine Klemmenspannung während der Entladung von etwa 1,2 Volt , die wenig abnehmen , bis fast zum Ende der Entladung. Die maximale elektromotorische Kraft einer Ni-Cd-Zelle beträgt 1,3  V. Ni-Cd-Batterien werden in einer Vielzahl von Größen und Kapazitäten hergestellt, von tragbaren versiegelten Typen, die mit Kohle-Zink-Trockenzellen austauschbar sind, bis hin zu großen belüfteten Zellen für Standby-Strom und Antriebskraft. Im Vergleich zu anderen Arten von wiederaufladbaren Zellen bieten sie eine gute Zyklenlebensdauer und Leistung bei niedrigen Temperaturen mit einer angemessenen Kapazität, aber ihr wesentlicher Vorteil ist die Fähigkeit, bei hohen Entladungsraten (Entladung in einer Stunde oder weniger) praktisch ihre volle Nennkapazität zu liefern. Allerdings sind die Materialien teurer als die der Blei-Säure-Batterie und die Zellen haben eine hohe Selbstentladung.

Versiegelte Ni-Cd-Zellen wurden früher häufig in tragbaren Elektrowerkzeugen, Fotoausrüstung, Taschenlampen , Notbeleuchtung, Hobby-RC und tragbaren elektronischen Geräten verwendet. Die überlegene Kapazität von Nickel-Metallhydrid-Batterien und die zuletzt niedrigeren Kosten haben die Verwendung von Ni-Cd weitgehend verdrängt. Darüber hinaus haben die Umweltauswirkungen der Entsorgung des giftigen Metalls Cadmium erheblich zur Reduzierung ihres Einsatzes beigetragen. Innerhalb der Europäischen Union können Ni-Cd-Akkus nur noch für Ersatzzwecke oder für bestimmte Arten von Neugeräten wie Medizinprodukten geliefert werden.

Größere belüftete Ni-Cd-Nasszellenbatterien werden in Notbeleuchtung, Standby-Strom und unterbrechungsfreien Stromversorgungen und anderen Anwendungen verwendet.

Geschichte

Die erste Ni-Cd-Batterie wurde 1899 von Waldemar Jungner aus Schweden entwickelt . Zu dieser Zeit war der einzige direkte Konkurrent die Blei-Säure-Batterie , die weniger physikalisch und chemisch robust war. Mit geringfügigen Verbesserungen gegenüber den ersten Prototypen stieg die Energiedichte schnell auf etwa die Hälfte der von Primärbatterien und deutlich höher als bei Blei-Säure-Batterien. Jungner experimentierte damit, das Cadmium in unterschiedlichen Mengen durch Eisen zu ersetzen, stellte jedoch fest, dass die Eisenformulierungen mangelhaft waren. Jungners Werk war in den USA weitgehend unbekannt. Thomas Edison patentierte 1902 eine Nickel- oder Kobalt-Cadmium-Batterie und passte das Batteriedesign an, als er die Nickel-Eisen-Batterie zwei Jahre nach Jungners Bau in den USA einführte. 1906 gründete Jungner eine Fabrik in der Nähe von Oskarshamn, Schweden, um Ni-Cd-Batterien mit Überflutung zu produzieren.

1932 wurden aktive Materialien in einer porösen vernickelten Elektrode abgeschieden und fünfzehn Jahre später begannen die Arbeiten an einer versiegelten Nickel-Cadmium-Batterie.

Die erste Produktion in den Vereinigten Staaten begann 1946. Bis zu diesem Zeitpunkt waren die Batterien "Pocket-Typ", konstruiert aus vernickelten Stahltaschen, die aktive Nickel- und Cadmiummaterialien enthielten . Um die Mitte des 20. Jahrhunderts wurden Ni-Cd-Batterien mit gesinterten Platten immer beliebter. Das Schmelzen von Nickelpulver bei einer Temperatur deutlich unter seinem Schmelzpunkt unter Verwendung hoher Drücke erzeugt gesinterte Platten. Die so gebildeten Platten sind hochporös, etwa 80 Volumenprozent. Positive und negative Platten werden durch Tränken der Nickelplatten in nickel- bzw. cadmiumaktiven Materialien hergestellt. Gesinterte Platten sind normalerweise viel dünner als der Taschentyp, was zu einer größeren Oberfläche pro Volumen und höheren Strömen führt. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Oberfläche eines reaktiven Materials in einer Batterie ist, desto geringer ist ihr Innenwiderstand .

Seit den 2000er Jahren verwenden alle Ni-Cd-Akkus für Verbraucher die Jelly-Roll- Konfiguration.

Eigenschaften

Die maximale Entladerate für einen Ni-Cd-Akku variiert je nach Größe. Für eine herkömmliche Zelle der Größe AA beträgt die maximale Entladerate ungefähr 1,8 Ampere; bei einer Batterie der Größe D kann die Entladerate bis zu 3,5 Ampere betragen.

Modellflugzeug- oder -bootsbauer nehmen oft viel größere Ströme von bis zu etwa hundert Ampere aus speziell konstruierten Ni-Cd-Batterien, die zum Antrieb von Hauptmotoren verwendet werden. 5–6 Minuten Modellbetrieb sind mit recht kleinen Batterien problemlos zu erreichen, sodass ein relativ hohes Leistungsgewicht erreicht wird, vergleichbar mit Verbrennungsmotoren , jedoch von geringerer Dauer. Dabei wurden sie jedoch weitgehend von Lithium-Polymer- (Lipo) und Lithium-Eisen-Phosphat- (LiFe)-Batterien abgelöst, die noch höhere Energiedichten liefern können.

Stromspannung

Ni-Cd-Zellen haben ein nominelles Zellpotential von 1,2 Volt (V). Dies ist niedriger als die 1,5 V von Alkali- und Zink-Kohlenstoff-Primärzellen und daher nicht für alle Anwendungen als Ersatz geeignet. Die 1,5 V einer primären alkalischen Zelle beziehen sich jedoch eher auf ihre anfängliche als auf die durchschnittliche Spannung. Im Gegensatz zu Alkali- und Zink-Kohlenstoff-Primärzellen ändert sich die Klemmenspannung einer Ni-Cd-Zelle beim Entladen nur wenig. Da viele elektronische Geräte für den Betrieb mit Primärzellen ausgelegt sind, die sich bis auf 0,90 bis 1,0 V pro Zelle entladen können, reichen die relativ stabilen 1,2 V einer Ni-Cd-Zelle für den Betrieb aus. Einige würden die nahezu konstante Spannung als Nachteil betrachten, da sie es schwierig macht, einen niedrigen Batterieladestand zu erkennen.

Ni-Cd-Batterien, die als Ersatz für 9-V-Batterien verwendet werden, haben normalerweise nur sechs Zellen, bei einer Klemmenspannung von 7,2 Volt. Während die meisten Taschenradios bei dieser Spannung zufriedenstellend funktionieren, haben einige Hersteller wie Varta 8,4 Volt-Batterien mit sieben Zellen für kritischere Anwendungen hergestellt.

Aufladen

Ni-Cd-Akkus können je nach Herstellung der Zelle mit verschiedenen Raten geladen werden. Die Laderate wird anhand des Prozentsatzes der Amperestunden- Kapazität gemessen, die der Batterie während der Ladedauer als konstanter Strom zugeführt wird. Unabhängig von der Ladegeschwindigkeit muss der Batterie mehr Energie zugeführt werden als ihre tatsächliche Kapazität, um den Energieverlust beim Laden zu berücksichtigen, wobei schnellere Ladungen effizienter sind. Zum Beispiel könnte eine "Übernacht"-Ladung darin bestehen, 14–16 Stunden lang einen Strom zu liefern, der einem Zehntel des Amperestunden-Nennwerts (C/10) entspricht; Das heißt, ein 100-mAh-Akku benötigt 14 Stunden lang 10 mA, um mit dieser Geschwindigkeit insgesamt 140 mAh aufzuladen. Bei der Schnellladerate, die bei 100 % der Nennkapazität des Akkus in 1 Stunde (1C) durchgeführt wird, hält der Akku etwa 80 % der Ladung, sodass ein 100-mAh-Akku 125 mAh zum Aufladen benötigt (also ungefähr 1 Stunde und 15 Minuten). Einige Spezialbatterien können in nur 10-15 Minuten mit einer Laderate von 4C oder 6C aufgeladen werden, dies ist jedoch sehr ungewöhnlich. Es erhöht auch das Risiko einer Überhitzung und Entlüftung der Zellen aufgrund eines internen Überdrucks erheblich: Die Temperaturanstiegsrate der Zelle wird durch ihren Innenwiderstand und das Quadrat der Laderate bestimmt. Bei einer Rate von 4 °C ist die in der Zelle erzeugte Wärmemenge sechzehnmal höher als die Wärme bei einer Rate von 1 °C. Der Nachteil des schnelleren Ladens ist das höhere Risiko einer Überladung, die den Akku beschädigen kann. und die erhöhten Temperaturen, die die Zelle aushalten muss (was möglicherweise ihre Lebensdauer verkürzt).

Der sichere Temperaturbereich im Gebrauch liegt zwischen -20 °C und 45 °C. Während des Ladevorgangs bleibt die Batterietemperatur normalerweise niedrig, etwa gleich der Umgebungstemperatur (die Ladereaktion absorbiert Energie), aber wenn sich die Batterie der vollständigen Ladung nähert, steigt die Temperatur auf 45–50 °C. Einige Batterieladegeräte erkennen diesen Temperaturanstieg, um den Ladevorgang zu unterbrechen und ein Überladen zu verhindern.

Ohne Belastung oder Ladung entlädt sich ein Ni-Cd-Akku bei 20 °C um ca. 10 % pro Monat, bei höheren Temperaturen bis zu 20 % pro Monat. Es ist möglich, eine Erhaltungsladung mit Strompegeln durchzuführen, die gerade hoch genug sind, um diese Entladerate auszugleichen; um eine Batterie voll aufgeladen zu halten. Wenn der Akku jedoch längere Zeit ungenutzt gelagert wird, sollte er auf maximal 40 % der Kapazität entladen werden (einige Hersteller empfehlen eine vollständige Entladung und sogar ein Kurzschließen nach vollständiger Entladung) und in einem kühle, trockene Umgebung.

Überladung

Versiegelte Ni-Cd-Zellen bestehen aus einem Druckbehälter, der jegliche Erzeugung von Sauerstoff- und Wasserstoffgasen enthalten soll, bis sie wieder zu Wasser rekombinieren können. Eine solche Erzeugung tritt typischerweise während eines schnellen Ladens und Entladens auf, und insbesondere im Überladezustand. Überschreitet der Druck den Grenzwert des Sicherheitsventils, geht Wasser in Form von Gas verloren. Da das Gefäß so konstruiert ist, dass es eine genaue Elektrolytmenge enthält, beeinflusst dieser Verlust schnell die Kapazität der Zelle und ihre Fähigkeit, Strom aufzunehmen und abzugeben. Um alle Überladungszustände zu erkennen, erfordert die Ladeschaltung eine hohe Raffinesse, und ein billiges Ladegerät wird schließlich selbst die besten Zellen beschädigen.

Elektrochemie

Eine voll geladene Ni-Cd-Zelle enthält:

Ni-Cd-Batterien haben normalerweise ein Metallgehäuse mit einer Dichtplatte, die mit einem selbstdichtenden Sicherheitsventil ausgestattet ist . Die durch den Separator voneinander getrennten positiven und negativen Elektrodenplatten sind im Inneren des Gehäuses spiralförmig aufgerollt. Dies ist als Jelly-Roll-Design bekannt und ermöglicht es einer Ni-Cd-Zelle, einen viel höheren maximalen Strom zu liefern als eine Alkalizelle gleicher Größe. Alkalische Zellen haben eine Spulenkonstruktion, bei der das Zellengehäuse mit Elektrolyt gefüllt ist und einen Graphitstab enthält, der als positive Elektrode dient. Da eine relativ kleine Fläche der Elektrode mit dem Elektrolyten in Kontakt steht (im Gegensatz zum Jelly-Roll-Design), ist der Innenwiderstand für eine alkalische Zelle gleicher Größe höher, was den maximal zu liefernden Strom begrenzt.

Die chemischen Reaktionen an der Cadmiumelektrode während der Entladung sind:

Die Reaktionen an der Nickeloxidelektrode sind:

Die Nettoreaktion beim Entladen ist

Beim Aufladen gehen die Reaktionen von rechts nach links. Der alkalische Elektrolyt (üblicherweise KOH) wird bei dieser Reaktion nicht verbraucht und daher ist sein spezifisches Gewicht im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien kein Hinweis auf den Ladezustand.

Als Jungner die ersten Ni-Cd-Batterien baute, verwendete er Nickeloxid in der positiven Elektrode und Eisen- und Cadmiummaterialien in der negativen. Erst später , dass reines Cadmiummetall und Nickel Hydroxid verwendet wurden. Bis etwa 1960 war die chemische Reaktion nicht vollständig verstanden. Über die Reaktionsprodukte gab es mehrere Spekulationen. Die Debatte wurde schließlich durch Infrarotspektroskopie gelöst , die Cadmiumhydroxid und Nickelhydroxid ergab.

Eine weitere historisch wichtige Variation der basischen Ni-Cd-Zelle ist die Zugabe von Lithiumhydroxid zum Kaliumhydroxid-Elektrolyten. Es wurde angenommen, dass dies die Lebensdauer verlängert, indem die Zelle widerstandsfähiger gegen elektrischen Missbrauch gemacht wird. Der Ni-Cd-Akku in seiner modernen Form ist ohnehin extrem widerstandsfähig gegen elektrischen Missbrauch, daher wurde diese Praxis eingestellt.

Belüftete Zellenbatterien

Ansicht einer belüfteten Flugzeugbatterie von der Seite
Aufbau einer Zelle in einer belüfteten Zellbatterie

Belüftete Zellen ( Nasszelle , geflutete Zelle ) NiCd-Batterien werden verwendet, wenn große Kapazitäten und hohe Entladeraten erforderlich sind. Herkömmliche NiCd-Batterien sind vom versiegelten Typ, was bedeutet, dass das Ladegas normalerweise rekombiniert wird und kein Gas freigesetzt wird, es sei denn, sie werden stark überladen oder es tritt ein Fehler auf. Im Gegensatz zu typischen NiCd - Zellen, die abgedichtet sind, haben belüftete Zellen eine Entlüftungsöffnung oder Niederdruckventil , dass Freisetzungen jede erzeugte Sauerstoff und Wasserstoffgas bei Überladung oder schnell entladen. Da die Batterie kein Druckbehälter ist , ist sie sicherer, wiegt weniger und hat einen einfacheren und kostengünstigeren Aufbau. Dies bedeutet auch, dass die Batterie normalerweise nicht durch übermäßige Überladung, Entladung oder sogar negative Ladung beschädigt wird.

Sie werden in der Luftfahrt, im Schienen- und Nahverkehr, als Notstrom für die Telekommunikation, zum Anlassen von Triebwerken für Notturbinen usw. verwendet. Die Verwendung von NiCd-Batterien mit belüfteten Zellen führt zu einer Reduzierung der Größe, des Gewichts und des Wartungsbedarfs gegenüber anderen Batterietypen. Belüftete NiCd-Batterien haben eine lange Lebensdauer (je nach Typ bis zu 20 Jahre oder mehr) und arbeiten bei extremen Temperaturen (von -40 bis 70 °C).

Ein Batteriekasten aus Stahl enthält die Zellen, die in Reihe geschaltet sind, um die gewünschte Spannung zu erreichen (1,2 V pro Zelle nominal). Zellen bestehen normalerweise aus einem leichten und haltbaren Polyamid ( Nylon ), wobei für jede Elektrode im Inneren mehrere Nickel-Cadmium-Platten miteinander verschweißt sind. Ein Separator oder Liner aus Silikonkautschuk dient als Isolator und Gasbarriere zwischen den Elektroden. Die Zellen werden mit einem überfluteten Elektrolyten von 30% igen wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid ( KOH ). Das spezifische Gewicht des Elektrolyten zeigt nicht an, ob die Batterie entladen oder vollständig geladen ist, sondern ändert sich hauptsächlich durch Verdunstung von Wasser. Die Oberseite der Zelle enthält einen Raum für überschüssigen Elektrolyt und eine Druckentlastungsöffnung. Große vernickelte Kupferbolzen und dicke Verbindungsglieder gewährleisten einen minimalen äquivalenten Serienwiderstand für die Batterie.

Das Ablassen von Gasen bedeutet, dass die Batterie entweder mit hoher Geschwindigkeit entladen oder mit einer höheren als der Nenngeschwindigkeit aufgeladen wird. Dies bedeutet auch, dass der beim Entlüften verlorene Elektrolyt regelmäßig durch routinemäßige Wartung ersetzt werden muss. Je nach Lade-Entlade-Zyklen und Batterietyp kann dies eine Wartungsdauer von einigen Monaten bis zu einem Jahr bedeuten.

Die Spannung der belüfteten Zelle steigt am Ende des Ladevorgangs schnell an, wodurch eine sehr einfache Ladeschaltung verwendet werden kann. Typischerweise wird eine Batterie mit konstantem Strom von 1 CA geladen, bis alle Zellen mindestens 1,55  V erreicht haben. Es folgt ein weiterer Ladezyklus mit 0,1 CA-Rate, wieder bis alle Zellen 1,55  V erreicht haben. Aufladen, in der Regel nicht weniger als 4 Stunden bei einer Rate von 0,1 CA. Der Zweck der Überladung besteht darin, so viel (wenn nicht alle) der an den Elektroden gesammelten Gase, Wasserstoff am negativen und Sauerstoff am positiven auszutreiben, und einige dieser Gase rekombinieren zu Wasser, was wiederum die Elektrolytstand auf den höchsten Stand, wonach der Elektrolytspiegel sicher eingestellt werden kann. Während der Überladung oder Aufladung gehen die Zellenspannungen über 1,6 V hinaus und beginnen dann langsam abzufallen. Keine Zelle sollte über 1,71  V (Trockenzelle) ansteigen oder unter 1,55  V fallen (Gasbarriere gebrochen).

In einer Flugzeuginstallation mit einem erdfreien Batterie-Bordnetz wird die Reglerspannung so eingestellt, dass die Batterie bei konstanter Potentialladung (typischerweise 14 oder 28  V) geladen wird . Wird diese Spannung zu hoch eingestellt, kommt es zu einem schnellen Elektrolytverlust. Ein ausgefallener Laderegler kann dazu führen, dass die Ladespannung deutlich über diesen Wert ansteigt, was zu einer massiven Überladung mit Überkochen des Elektrolyten führt.

Anwendungen

Acht NiCd-Akkus in einem Akkupack

Versiegelte Ni-Cd-Zellen können einzeln verwendet oder zu Batteriepaketen mit zwei oder mehr Zellen zusammengebaut werden. Kleine Zellen werden für tragbare Elektronik und Spielzeug (wie Solar-Gartenleuchten) verwendet, wobei oft Zellen verwendet werden, die in den gleichen Größen wie Primärzellen hergestellt werden . Wenn Primärzellen durch Ni-Cd-Batterien ersetzt werden, können die niedrigere Klemmenspannung und die geringere Amperestundenkapazität die Leistung im Vergleich zu Primärzellen verringern. Miniatur-Knopfzellen werden manchmal in Fotoausrüstung, Handlampen (Taschenlampe oder Taschenlampe), Computerspeicher-Standby, Spielzeug und Neuheiten verwendet.

Spezielle Ni-Cd-Batterien werden in schnurlosen und drahtlosen Telefonen, in Notbeleuchtungen und anderen Anwendungen verwendet. Bei relativ geringem Innenwiderstand können sie hohe Stoßströme liefern . Dies macht sie zu einer günstigen Wahl für ferngesteuerte elektrische Modellflugzeuge, Boote und Autos sowie für kabellose Elektrowerkzeuge und Kamerablitzgeräte.

Größere geflutete Zellen werden für Startbatterien von Flugzeugen , Elektrofahrzeugen und Standby-Strom verwendet .

Popularität

Fortschritte in der Batterieherstellungstechnologie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts haben die Herstellung von Batterien immer billiger gemacht. Batteriebetriebene Geräte haben im Allgemeinen an Popularität gewonnen. Im Jahr 2000 wurden jährlich etwa 1,5 Milliarden Ni-Cd-Batterien produziert. Bis Mitte der 1990er Jahre hatten Ni-Cd-Batterien einen überwältigenden Marktanteil bei wiederaufladbaren Batterien in der Heimelektronik.

Ni-Cd-Batterien machten zeitweise 8% aller tragbaren Sekundärbatterien (wiederaufladbar) in der EU aus, in Großbritannien 9,2% (Entsorgung) und in der Schweiz 1,3% aller tragbaren Batterien.

In der EU beschränkte die Batterierichtlinie von 2006 den Verkauf von Ni-Cd-Batterien an Verbraucher für tragbare Geräte.

Verfügbarkeit

Ni-Cd-Zellen sind in den gleichen Größen wie Alkalibatterien erhältlich , von AAA bis D, sowie in mehreren Mehrzellengrößen, einschließlich des Äquivalents einer 9-Volt-Batterie. Eine vollständig geladene einzelne Ni-Cd-Zelle führt im Leerlauf eine Potentialdifferenz zwischen 1,25 und 1,35 Volt, die bei Entladung der Batterie relativ konstant bleibt. Da bei fast vollständig entladenen Alkalibatterien die Spannung auf bis zu 0,9 Volt absinken kann, sind Ni-Cd-Zellen und Alkalizellen für die meisten Anwendungen normalerweise austauschbar.

Neben Einzelzellen gibt es Batterien, die bis zu 300 Zellen enthalten (nominell 360 Volt, tatsächliche Leerlaufspannung zwischen 380 und 420 Volt). Diese vielen Zellen werden hauptsächlich in Automobil- und Heavy-Duty-Industrieanwendungen eingesetzt. Bei portablen Anwendungen liegt die Zellenzahl normalerweise unter 18 Zellen (24 V). Überflutete Batterien in Industriegröße sind mit Kapazitäten von 12,5 Ah bis zu mehreren hundert Ah erhältlich.

Vergleich mit anderen Batterien

In letzter Zeit sind Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen- Batterien kommerziell erhältlich und billiger geworden, wobei der erstere Typ jetzt Ni-Cd-Batterien kostenmäßig Konkurrenz macht. Wo es auf die Energiedichte ankommt, sind Ni-Cd-Batterien heute gegenüber Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Batterien im Nachteil. Der Ni-Cd-Akku ist jedoch immer noch sehr nützlich in Anwendungen, die sehr hohe Entladeraten erfordern, da er eine solche Entladung ohne Beschädigung oder Kapazitätsverlust überstehen kann.

Im Vergleich zu anderen Akkutypen hat der Ni-Cd-Akku eine Reihe von entscheidenden Vorteilen:

  • Die Akkus sind schwerer zu beschädigen als andere Akkus und tolerieren über längere Zeit eine Tiefentladung . Tatsächlich werden Ni-Cd-Batterien bei Langzeitlagerung typischerweise vollständig entladen gelagert. Dies steht beispielsweise im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus , die weniger stabil sind und bei einer Entladung unter eine Mindestspannung dauerhaft beschädigt werden.
  • Der Akku leistet unter rauen Bedingungen eine sehr gute Leistung, perfekt für den Einsatz in tragbaren Werkzeugen.
  • Ni-Cd-Batterien halten in Bezug auf die Anzahl der Lade-/Entladezyklen in der Regel länger als andere wiederaufladbare Batterien wie Blei-/Säurebatterien.
  • Im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien haben Ni-Cd-Batterien eine viel höhere Energiedichte . Ein Ni-Cd-Akku ist kleiner und leichter als ein vergleichbarer Blei-Säure-Akku, aber kein vergleichbarer NiMH- oder Li-Ionen-Akku. In Fällen, in denen Größe und Gewicht wichtige Faktoren sind (z. B. Flugzeuge), werden Ni-Cd-Batterien den billigeren Blei-Säure-Batterien vorgezogen.
  • In Verbraucheranwendungen konkurrieren Ni-Cd-Batterien direkt mit Alkalibatterien . Eine Ni-Cd-Zelle hat eine geringere Kapazität als eine gleichwertige Alkali-Zelle und kostet mehr. Da die chemische Reaktion der Alkalibatterie jedoch nicht umkehrbar ist, hat eine wiederverwendbare Ni-Cd-Batterie eine deutlich längere Gesamtlebensdauer. Es gab Versuche, wiederaufladbare Alkalibatterien oder spezielle Batterieladegeräte zum Aufladen von Alkali-Einwegbatterien zu schaffen, aber keiner hat eine breite Anwendung gefunden.
  • Die Klemmenspannung einer Ni-Cd-Batterie nimmt beim Entladen langsamer ab als bei Kohle-Zink-Batterien. Da die Spannung einer Alkalibatterie mit sinkendem Ladevorgang deutlich absinkt, sind die meisten Consumer-Anwendungen für die etwas niedrigere Ni-Cd-Zellspannung ohne merklichen Leistungsverlust gut gerüstet.
  • Die Kapazität eines Ni-Cd-Akkus wird durch sehr hohe Entladeströme nicht wesentlich beeinflusst. Selbst bei Entladeraten von bis zu 50 °C erreicht ein Ni-Cd-Akku fast seine Nennkapazität. Im Gegensatz dazu bietet eine Blei-Säure-Batterie nur etwa die Hälfte ihrer Nennkapazität, wenn sie bei relativ bescheidenen 1,5 °C entladen wird.
  • Der maximale Dauerstromverbrauch von NiCd-Akkus liegt normalerweise bei etwa 15 ° C. Im Vergleich zu NiMH-Akkus, bei denen die nutzbare maximale Dauerstromaufnahme nicht mehr als 5C beträgt.
  • Nickel- Metallhydrid- Akkus ( NiMH ) sind die neuesten und ähnlichsten Konkurrenten von Ni-Cd-Akkus. Im Vergleich zu Ni-Cd-Akkus haben NiMH-Akkus eine höhere Kapazität, sind weniger giftig und jetzt kostengünstiger. Ein Ni-Cd-Akku hat jedoch eine niedrigere Selbstentladungsrate (z. B. 20 % pro Monat für einen Ni-Cd-Akku gegenüber 30 % pro Monat für einen herkömmlichen NiMH unter identischen Bedingungen), obwohl eine geringe Selbstentladung (" LSD") sind jetzt NiMH-Akkus erhältlich, die eine wesentlich geringere Selbstentladung aufweisen als entweder Ni-Cd- oder herkömmliche NiMH-Akkus. Dies führt dazu, dass Ni-Cd-NiMH-Akkus gegenüber Nicht-LSD-NiMH-Akkus in Anwendungen bevorzugt werden, bei denen die Stromaufnahme des Akkus niedriger ist als die Selbstentladungsrate des Akkus (z. B. Fernsehfernbedienungen). Bei beiden Zelltypen ist die Selbstentladungsrate bei vollem Ladezustand am höchsten und fällt bei niedrigeren Ladezuständen etwas ab. Schließlich hat ein ähnlich großer Ni-Cd-Akku einen etwas geringeren Innenwiderstand und kann somit eine höhere maximale Entladerate erreichen (was für Anwendungen wie Elektrowerkzeuge wichtig sein kann).

Der primäre Kompromiss bei Ni-Cd-Batterien sind ihre höheren Kosten und die Verwendung von Cadmium. Dieses Schwermetall ist umweltschädlich und für alle höheren Lebensformen hochgiftig. Sie sind auch teurer als Blei-Säure-Batterien, da Nickel und Cadmium mehr kosten. Einer der größten Nachteile ist, dass die Batterie einen sehr ausgeprägten negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Das bedeutet, dass mit steigender Zelltemperatur der Innenwiderstand sinkt. Dies kann zu erheblichen Ladeproblemen führen, insbesondere bei den relativ einfachen Ladesystemen, die für Blei-Säure- Batterien verwendet werden. Während Blei-Säure-Batterien durch einfaches Anschließen eines Dynamos aufgeladen werden können , würde die Ni-Cd-Batterie bei einem ähnlichen Ladeschema mit einem einfachen elektromagnetischen Abschaltsystem für den Fall, dass der Dynamo steht oder ein Überstrom auftritt, thermische Durchgehen, wo der Ladestrom weiter ansteigen würde, bis die Überstromabschaltung anspricht oder die Batterie sich selbst zerstört. Dies ist der Hauptfaktor, der seine Verwendung als Motorstarterbatterien verhindert. Heute wäre der Aufbau eines geeigneten Ladesystems bei lichtmaschinenbasierten Ladesystemen mit Festkörperreglern relativ einfach, doch die Autohersteller schrecken davor zurück, auf bewährte Technik zu verzichten.

Memory-Effekt

Ni-Cd-Akkus können unter einem „ Memory-Effekt “ leiden, wenn sie hunderte Male entladen und wieder auf den gleichen Ladezustand aufgeladen werden . Das offensichtliche Symptom ist, dass sich die Batterie an den Punkt in ihrem Entladezyklus "erinnert", an dem das Aufladen begonnen hat, und während des anschließenden Gebrauchs an diesem Punkt einen plötzlichen Spannungsabfall erleidet, als ob die Batterie entladen wäre. Die Kapazität des Akkus wird nicht wesentlich reduziert. Einige Elektronik, die für den Betrieb mit Ni-Cd-Batterien ausgelegt ist, kann dieser reduzierten Spannung lange genug standhalten, damit sich die Spannung wieder normalisiert. Wenn das Gerät jedoch während dieser Zeit mit verringerter Spannung nicht funktionieren kann, kann es nicht genug Energie aus der Batterie ziehen, und aus praktischen Gründen erscheint die Batterie früher als normal "leer".

Es gibt Hinweise darauf, dass die Geschichte des Memory-Effekts von umlaufenden Satelliten stammt, wo sie sich über einen Zeitraum von mehreren Jahren bei jeder Umlaufbahn um die Erde auf ähnliche Weise auf- und entladen. Nach dieser Zeit stellte sich heraus, dass die Kapazitäten der Akkus deutlich nachgelassen hatten, aber noch einsatzbereit waren. Es ist unwahrscheinlich, dass dieses präzise wiederholte Laden (z. B. 1.000 Ladungen/Entladungen mit einer Variabilität von weniger als 2 %) jemals von Personen, die elektrische Geräte verwenden, reproduziert werden könnte. Das ursprüngliche Papier, das den Memory-Effekt beschreibt, wurde von GE-Wissenschaftlern in ihrem Battery Business Department in Gainesville, Florida, geschrieben und später von ihnen zurückgezogen, aber der Schaden war angerichtet.

Der Akku übersteht Tausende von Lade-/Entladezyklen. Es ist auch möglich, den Memory-Effekt zu verringern, indem der Akku etwa einmal im Monat vollständig entladen wird. Auf diese Weise "erinnert" sich die Batterie anscheinend nicht an den Punkt in ihrem Ladezyklus.

Ein Effekt mit ähnlichen Symptomen wie der Memory-Effekt ist der sogenannte Spannungsdepression oder Lazy-Battery-Effekt . Dies resultiert aus wiederholter Überladung; Das Symptom ist, dass der Akku voll geladen zu sein scheint, sich aber nach nur kurzer Betriebszeit schnell entlädt. In seltenen Fällen kann ein Großteil der verlorenen Kapazität durch wenige Tiefentladezyklen wiederhergestellt werden, eine Funktion, die häufig von automatischen Batterieladegeräten bereitgestellt wird. Dieser Vorgang kann jedoch die Haltbarkeit der Batterie verringern. Bei guter Behandlung kann eine Ni-Cd-Batterie 1.000 Zyklen oder länger halten, bevor ihre Kapazität unter die Hälfte ihrer ursprünglichen Kapazität sinkt. Viele Heimladegeräte behaupten, "intelligente Ladegeräte" zu sein, die abschalten und die Batterie nicht beschädigen, aber dies scheint ein häufiges Problem zu sein.

Umweltbelastung

Ni-Cd-Batterien enthalten zwischen 6 % (bei Industriebatterien) und 18 % (bei handelsüblichen Batterien) Cadmium , ein giftiges Schwermetall , das bei der Batterieentsorgung besondere Sorgfalt erfordert.

In den Vereinigten Staaten werden die erwarteten Batterierecyclingkosten (die am Ende der Nutzungsdauer für die ordnungsgemäße Entsorgung verwendet werden) in den Kaufpreis der Batterie eingerechnet.

Durch die sogenannte „Batterierichtlinie“ (2006/66/EG) ist der Verkauf von Ni-Cd-Verbraucherbatterien innerhalb der Europäischen Union außer für medizinische Zwecke inzwischen verboten; Alarmsysteme; Notfallbeleuchtung; und tragbare Elektrowerkzeuge. Diese letzte Kategorie wurde 2016 verboten. Nach derselben EU-Richtlinie müssen gebrauchte industrielle Ni-Cd-Batterien von ihren Herstellern gesammelt und in speziellen Einrichtungen recycelt werden.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Bergström, Sven. „Nickel-Cadmium-Batterien – Taschentyp“. Zeitschrift der Elektrochemischen Gesellschaft, September 1952. 1952 Die Elektrochemische Gesellschaft.
  • Ellis, GB, Mandel, H. und Linden, D. „Sintered Plate Nickel-Cadmium Batteries“. Journal of the Electrochemical Society , The Electrochemical Society, September 1952.
  • General Electric, "Nickel-Cadmium-Batterie-Anwendungstechnik-Handbuch", 1971
  • Marathon Battery Company, "Pflege und Wartung von Nickel-Cadmium-Batterien"
  • SAFT, "NiCd-Flugzeugbatterien, Betriebs- und Wartungshandbuch (OMM)", 2002

Externe Links