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Artikel aus Mobile Times 10
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Artikel aus Mobile Times 10
Um seinen Akku richtig zu pflegen, sollte man auch wissen, wie er aufgebaut ist, denn es nicht egal, ob es sich um eine chemische Batterie oder um einen Stromspeicher handelt und bei letzteren kommt es darauf an, ob es sich um ein Kraftpaket auf Basis Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid oder um Lithium-Ionen-Technologie handelt.
In der ersten Folge (>>) hatten wir ein wenig die chemischen Grundlagen gestreift, und sind auch auf die Volta'sche Säule eingegangen. Diese hatte allerdings einige Nachteile: erstens überzieht der bei der Reaktion entstehende Wasserstoff die Elektroden als dünne Schicht und unterbindet so die weitere Reaktion und zweitens reagieren die Metalle auch, wenn kein Strom entnommen wird.
Die Lösung der obengenannten Probleme fand ein Franzose, der die besonderen Eigenschaften des Braunsteins nützte, eines natürlich vorkommenden Manganoxydes der Formel MnO2. Dieses Oxyd führt elektrochemische Reaktionen sowohl in saurem als auch basischem Milieu durch, was einige Vorteile bietet, insbesondere, daß bei basischen Reaktionen kein Wasserstoff frei wird, der die weiteren Reaktionen behindern könnte.
Da aber Braunstein, im Unterschied zu metallischen Elektroden, wie sie bei anderen galvanischen Elementen verwendet werden, den elektrischen Strom nicht leitet, benötigt man eine leitende Elektrode, die durch einen Kohlestift realisiert wird. Als Gegenelektrode wird ein Zinkblech verwendet und als Elektrolyt Ammoniak.
Da die beiden Elektroden des Le Clanché-Elementes Zinkblech und ein Stück Kohle sind, nennt man dieses Element auch Zink-Kohle-Batterie, ein Element das jedem aus täglichem Gebrauch vertraut ist, da es heute die meistverwendete Art von Batterie darstellt.
Die Wiederverwertung, heutzutage neumodisch "Recycling" genannt, ist genau betrachtet kein wirklich neuer Gedanke. Denn schon im vorigen Jahrhundert waren nicht alle mit den vorhandenen galvanischen Elementen zufrieden. Zwar entstanden im Laufe der Erforschung der Elektrochemie jede Menge verschiedene Elemente wie das Weston-Element, das La Lande-Element, das Bunsen-Element oder das Chromsäure-Element, doch hatten alle diese eines gemeinsam: sie gewannen die elektrische Energie durch das nicht umkehrbare Verbrauchen chemischer Energie. Dies erfordert für die praktische Nutzung, daß man verschiedene Metalle in reiner Form gewinnt, was selbst mit Energieaufwand und Kosten verbunden ist, und daher wirtschaftlich nicht in allen Fällen tragbar.
Ein weiteres Thema war schon damals die Energiedichte der Elemente, also die Frage wie schwer ein Stromlieferant ist, der eine bestimmte Menge an Energie beinhaltet. Denn solange eine Batterie nur in stationärem Einsatz verwendet wird, ist es fast egal wie schwer sie ist, doch wenn man mobil wird, so ist das Gewicht oft ein entscheidender Punkt.
Diese Frage trat damals natürlich in etwas anderem Rahmen auf: zur Zeit der ersten selbstgetriebenen Kutschen (vulgo Auto) waren Verbrennungsmotoren etwa gleich leistungsfähig wie Elektromotoren. Nur war Benzin leichter zu transportieren als Elektrizität. Zwei wiederaufladbare galvanische Elemente traten damals auf den Plan, eines davon ist heute noch in Benutzung, das andere wurde durch einen besseren Nachfolger verdrängt. Diese neuartigen wiederaufladbaren Elemente bekamen natürlich einen eigenen Namen: "Akkumulator"
Das eine Element ist der Bleiakku, den man auch heute in vielen Anwendungen wie zum Beispiel im Auto oder in elektrischen Rollstühlen findet.
Das Faszinierende am Bleiakkus ist, daß beide Elektroden aus Blei bestehen, jedoch zwei ganz unterschiedliche Reaktionen durchführen. Dies ist primär dadurch möglich, daß Blei als Element der vierten Hauptgruppe die stabilen Oxydationsstufen +II und +IV kennt, wodurch PbSO4 sowohl oxydiert, als auch reduziert werden kann.
Der Hauptvorteil dieses Elementes ist, daß es billig und zuverlässig ist, ein Grund weswegen es auch heute noch weite Anwendung findet. Der Nachteil ist das Gewicht: von allen heute verwendeten Akkus hat der Bleiakku die geringste Energiedichte, oder anders ausgedrückt: wenn man eine bestimmte Energiemenge transportieren will, muß man beim Bleiakku das größte Gewicht spazierenführen.
Dieses Problem trat natürlich besonders zum Vorschein, als man daran ging mobile elektrische Applikationen zu erfinden. Und auch der größte Erfinder dieser Zeit machte sich darüber seine Gedanken: Thomas Alva Edison. Denn die vielfältigen Anwendungen des elektrischen Stromes waren sein Hauptbetätigungsfeld, wenn man zum Beispiel an die Glühbirne oder den Phonographen denkt. Doch auch das Automobil bot damals noch vielfältige Betätigungsmöglichkeiten, da Fahrzeuge mit Dampfantrieb, Benzinmotor und Elektromotor um die Vorherrschaft rangen.
Wir wissen heute daß sich die Benzinkutschen durchgesetzt haben, da sie nach den damaligen technischen Möglichkeiten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis boten (auch heute ist die Reichweite und das Gewicht der Batterien das größte Problem von Elektroautos), doch damals war dieses Gefecht noch nicht entschieden, sondern in vollem Gange.
Edison erkannte bald, was die primäre Einschränkung des Elektroautos darstellte, und ging daran einen Akkumulator mit höherer Energiedichte zu entwickeln. Bei seinen systematischen Experimenten mit den verschiedensten Substanzen stieß er auf eine basische Redox-Reaktion von Nickel und Eisen, die vielversprechende Resultate zeigte.
Zwar ist beim Edison-Akku die Entladespannung niedriger als beim Bleiakku und auch die Stromausbeute - also wieviel von der Elektrizität, die man zum Aufladen benötigt, man wieder zurückbekommt - ist niedriger, doch ist die Energiedichte höher, so daß das Elektroauto bei gleich schwerer Batterie weiter fahren kann. Leider war es nicht weit genug, denn das Rennen haben die Herren Benz, Daimler und Diesel gewonnen.
Der Edison-Akku hatte aber einen Nachfolger, der ab den fünfziger-Jahren dieses Jahrhunderts in die praktische Anwendung kam.
Die Überlegung war unter Beibehaltung des Reaktionsmechanismus das Eisen durch ein anderes Element zu ersetzen, und dabei die Energiedichte zu steigern.
Die Lösung wurde mit Cadmium gefunden. In der Folge besteht die positive Elektrode aus gesintertem Nickelhydroxyd und die negative Elektrode aus Cadmium
Zwar ist die Zellenspannung geringer als beim Edison-Akku, doch wird dies durch die höhere Energiedichte wieder wettgemacht. Da der Nickel-Cadmium-Akku von allen modernen Akkus am längsten eingeführt ist, ist er auch der am weitesten verbreitete. Zudem hat er auch gegenüber neueren Akkus höherer Energiedichte einige praktische Vorteile.
Der NiCd-Akku
Doch bei allen Vorteilen hat der NiCd-Akku natürlich auch Nachteile. Einer davon ist der vielerwähnte "Memory"-Effekt, der im allgemeinen für jedes Batterieversagen verantwortlich gemacht wird. Der Begriff "Memory" rührt daher, daß frühe NiCd-Akkus sich daran erinnerten, wieviel Entladung bei früheren Zyklen nötig war, wenn sie immer über den gleichen Zeitraum beansprucht wurden. Dieses Phänomen ist heutzutage gänzlich eliminiert, und kann nur noch im Labor mit Spezialgeräten nachgewiesen werden.
Was heute als "Memory" bezeichnet wird, ist in Wahrheit kristalline Reformation. Jedes Metall besteht aus mehr oder weniger großen Kristallen, die man bei manchen Stahlblechen sogar sehen kann. Welche Eigenschaften ein Metall nun hat, beruht hauptsächlich auf der Kristallstruktur, weswegen zum Beispiel Eisen je nach Kohlenstoffgehalt, der die Kristallstruktur unterschiedlich deformiert, als Schmiedeeisen, Stahl oder Gußeisen auftritt. Auch die Elektroden eines Akkus bestehen aus solche Mikrokristallen, nur werden im Laufe der Reaktionen die Kristalle immer wieder aufgelöst und neu geformt. Bei dieser kristallinen Reformation tritt nun ein Phänomen auf, daß bei der Herstellung von Silizium-Einkristallen für die Mikroelektronik sogar genützt wird: je langsamer ein Kristall sich formt, desto größer wird er. Wenn nun ein NiCd-Akku mit einem einfachen Gleichstrom-Ladegerät aufgeladen wird, so werden im Laufe der Zeit aus vieler kleinen Kristallkörnern wenige große Kristallnadeln. Dadurch wird die wirksame Oberfläche der Elektrode kleiner und die Kapazität des Akkus sinkt. Im Extremfall können diese Nadeln sogar den Separator (eine dünne Membran zwischen den Elektroden, die die Bildung von NiCd-Mischkristallen verhindert) durchdringen, wodurch die Selbstentladung des Akkus dramatisch ansteigt, oder im Extremfall ein Kurzschluß eintritt.
Michael Köttl
Im nächsten Heft (>>) lesen Sie:
Wie pflege ich meinen NiCd-Akku?
Wie ist ein Nickel-Metall-Hydrid-Akku aufgebaut?
Wie sorge ich dafür, daß mein NiMH-Akku immer optimale Leistung liefert?
Letzte Überarbeitung: Montag, 10. Februar 2003Text © 1996 by Mobile Times; HTML © 2001-2003 by Mobile Times |
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