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Artikel aus Mobile Times 11

Akkumulatoren - Kraftspender mobiler Elektronik (3)

Die Wartung des NiCd-Akkus und seine ersten Konkurrenten

In der letzten Folge (>>) haben wir einen kurzen Streifzug durch die Entwicklungsgeschichte des NiCd Akkus gemacht. Doch nicht nur die Funktionsweise ist interessant, sondern auch, wie man diese möglichst lange aufrechterhält. Außerdem ist der Nickel-Cadmium-Akku schon 1950 eingeführt worden und es hat sich seit damals viel getan.

Obwohl noch immer viele Applikationen den NiCd-Akku verwenden, so ist die Frage doch nicht mehr NiCd-Akku oder Alkalibatterie, sondern vielmehr welchen der vielen Akkus aus dem Angebot man denn nun nehmen soll. Die ersten Konkurrenten auf dem Akkumarkt waren ein alter Rivale in neuer Form und ein Bruder fast "aus der Familie". Über den Wiederaufstieg des Bleiakkus aus der Asche und von Nickel-Metallhydrid wollen wir diesmal auch noch berichten.

Pflege eines NiCd-Akkus

Was kann man nun tun, um seinem Akku ein möglichst langes und produktive Leben zu sichern? Der ersten Schritt ist einmal ein Pulsladegerät statt einem Gleichstromlader. Denn bei herkömmlichen Gleichstromladern entstehen im Laufe der Zeit immer größere Kristallnadeln, durch die die wirksame Oberfläche der Elektroden abnimmt. Doch auch bei Pulsladegeräten tut es dem Akku nicht gut, wenn man ihn tagelang im Ladegerät läßt, um ihn dann nur kurz zu benutzen.

Diesem Kapazitätsverlust kann man entgehen, wenn man den Akku zumindest einmal pro Monat komplett entlädt und wieder lädt.

Eine weitere Beeinträchtigung des Akkulebens ist Hitze. Diese entwickelt sich beim Laden zusammen mit verschiedenen Gasen, was alles zusammen den inneren Druck erhöht und den Separator beschädigt. Viele im Handel erhältlichen Ladegeräte tendieren dazu, den Akku zu "kochen", da der Hersteller nur darauf achtet, den Akku unter allen Umständen voll zu laden. Daß dadurch das, was "voll" bedeutet, immer weniger wird, erfreut sogar, da dadurch der Absatz an Akkus steigt.

Wird der Abschaltpunkt aber nicht mit der Akkutemperatur gemessen, sondern über die Akkuspannung, so ist das viel schonender für den Akku. Diese Methode wird NDV (Negative Delta V) genannt, da sie über die Änderung der Akkuspannung arbeitet. Nachteile hat diese Methode nur, wenn die einzelnen Zellen des Akkupacks zu große Leistungsunterschiede aufweisen, was bei schlechter Qualitätskontrolle des Herstellers durchaus vorkommen kann. Dann tritt nämlich leicht Überladung und damit auch Überhitzung auf, da die Spannungssignaturen der einzelnen Zellen sich gegenseitig überlagern und die Gesamtsignatur nicht deutlich genug ausfällt.

Auch über ein anderes Ladeverfahren kann die Ladetemperatur niedriger gehalten werden: bei Ladegeräten die mit "reverse load" (= umgekehrte Ladung) arbeiten, werden zwischen den Ladepulsen Entladepulse gesetzt, wodurch die gebildeten Gase rascher rekombinieren und der Akku beim Laden nicht so heiß wird.

Insgesamt sollte man bei Anschaffung eines neuen Ladegerätes für NiCd-Akkus darauf achten, daß es mit "reverse load" arbeitet und die Ladeterminierung über NDV (Negative Delta V) bestimmt. Wenn man dann noch darauf achtet, daß die Akkus nicht heißer als 45°C werden (wenn man sie zum Beispiel im Sommer im Auto vergißt), so kann man mit einem langen Leben der Akkus rechnen.

Konkurrenz an allen Ecken

Der Nickel-Cadmium-Akku ist schon 1950 eingefü worden, und seit damals hat sich viel getan. Obwohl noch immer viele Applikationen den NiCd-Akku verwenden, so ist die Frage doch nicht mehr NiCd-Akku oder Alkalibatterie, sondern vielmehr welchen der vielen Akkus aus dem Angebot man denn nun nehmen soll.

Die ersten Konkurrenten auf dem Akkumarkt traten Anfang der siebziger Jahre auf den Markt und waren ein nebenprodukt des amerikanischen Raumfahrtprogramms. Die beiden Proponenten dieser Entwicklung waren ein alter Rivale in neuer Form und ein Bruder fast "aus der Familie". Die Weiterentwicklung des Bleiakkus und die Nickel-Metall-Hydrid Batterie.

Metallhydride: Alternative zu Schwermetallen

Der Nickel Metall-Hydrid Akku (NiMH) ist ein Ausfluß der Experimente zur druckfreien Speicherung von Wasserstoff. Im Laufe dieser Versuche stellte man fest, daß gewisse Metalle mit Wasserstoff nicht nur ionische sondern auch kovalente oder intermetallische Verbindungen bilden können. Das Metallhydrid von Nickel hatte zudem elektrolytische Eigenschaften, die es ermöglichten mit Nickel einen Akku aufzubauen, der gegenüber dem NiCd-Akku einige deutliche Vorteile hat:

Die NiMH hat 30% mehr Kapazität als eine Standard-NiCd
Die NiMH ist vom Memory-Effekt weniger betroffen als die NiCd
Die NiMH enthält nicht das toxische Schwermetall Cadmium, ist daher ökologischer als NiCd

Leider hat die Nickel-Metallhydrid-Akku auch einige Nachteile gegenüber dem Nickel-Cadmium-Akku:

Anzahl der Zyklen: Die NiMH hält nur etwa 500 Lade-Entlade-Zyklen durch, wobei sie auch nur flache Entladungen mag, während der NiCd-Akku bei sachgerechter Behandlung einige tausend Zyklen schafft.
Schnelladung: der NiMH-Akku kann nicht so schnell geladen werden wie der NiCd-Akku, und benötigt eine kompliziertere Detektion für die vollständige Aufladung.
Entladestrom: Der empfohlene Entladestrom ist deutlich niedriger als bei NiCd, was bei Applikationen, die große Energiemengen oder gepulsten Strom benötigen, wie Werkzeuge oder Digitaltransmitter, zum Problem werden kann.
Hohe Selbstentladung: Da die Wasserstoffatome sehr klein und beweglich sind, versuchen sie aus den intermetallischen Verbindungen zu entkommen. Dadurch wird das Metallhydrid instabil, oder anders gesagt: der Akku entlädt sich. Die Selbstentladung ist bei NiMH-Akkus etwa doppelt so hoch, wie bei NiCd-Akkus, das heißt etwa 20% in den ersten 24 Stunden und weitere 20% pro Monat.
Preis: Der NiMH-Akku ist etwa um die Hälfte teurer als NiCd-Akkus.

Bei allen diesen Nachteilen wundert man sich nicht, daß in den Siebzigern, als diese Technologie entwickelt wurde, sie rasch wieder fallengelassen wurde. Damals stellte nämlich die Instabilität der Wasserstoffverbindung im Elektrolyten ein großes Problem dar, das erst später gelöst wurde. Auch heute noch ist dieses Problem in Form der hohen Selbstentladung vorhanden, und die Forschungslabors kämpfen schwer um das passende Gleichgewicht zwischen niedriger Selbstentladung und hoher Energiedichte.

Wartung eines sensiblen Hochleistungspferdes

Im Unterschied zu NiCd liefert NiMH keinen hinreichend deutlichen Spannungsabfall, der für eine NDV-Terminierung des Ladevorganges genutzt werden könnte. Würde man nun die Empfindlichkeit steigern, um auf einen kleineren Spannungsabfall zu reagieren, so würde der Ladevorgang bei einer halbvollen Zelle beendet werden. Da aus diesen Gründen die Bestimmung des Ladeschlusses über den Spannungsverlauf einen komplexen Algorithmus erfordert, arbeiten die meisten NiMH-Ladegeräte immer noch mit Temperaturmessung, die dazu tendiert die Akkus langfristig zu zerstören. Auch Geräte, die mit Sickerladung arbeiten, um geladene Akkus in voll geladenem Zustand zu halten, müssen mit niedrigeren Stromstärken arbeiten, obwohl der NiMH-Akku eine höhere Selbstentladung hat, da Stromstärken, die für NiCd akzeptabel sind, NiMH durch Überhitzung irreversibel beschädigen.

Autobatterie im Telephon?

Eine weitere Technologie, die in den Siebziger Jahren entwickelt wurde, ist die versiegelte Blei-Schwefelsäure Zelle ("Sealed Lead-Acid" = SLA) oder auch Gelzelle. Im Vergleich zu den Standardautoakkus kann keine Säure ausrinnen, da der Elektrolyt zu einem Gel verdickt ist. Der Grund, warum pastöse Elektrolyte bei Alkalibatterien schon im vorigen Jahrhundert verfügbar waren, während man beim Bleiakku bis 1970 warten mußte, ist, daß die Schwefelsäure die meisten Verdickungsmittel zersetzt, und erst zu diesem Zeitpunkt geeignete Kunststoffe verfügbar waren.

Anwendungen der SLA sind meist dort, wo hohe Leistung erforderlich ist, das Gewicht nicht kritisch ist und die Kosten niedrig sein sollen.

Praktische Anwendungen sind elektrische Rollstühle oder Notbeleuchtungen. Doch auch bei mobilen Telephonen, Laptops und Camcordern kommt diese Technologie zur Anwendung.

Zu den Vorteilen dieses robusten Akkus zählen:

Die SLA kennt keinen Memory-Effekt
Die Batterie wird durch zu lange Ladezeiten nicht beschädigt
Die Selbstentladung ist nur ein Viertel der vergleichbaren Verluste des NiCd-Akkus
Die SLA ist pro Amperestunde der billigste Akku

Doch bekanntlich ist nichts in dieser Welt ohne Schattenseiten, und so kennt auch der verbessere Bleiakku noch Nachteile:

Die Gelzelle kann nur langsam geladen werden, und benötigt etwa 8 bis 16 Stunden für einen Ladevorgang
Die SLA muß in geladenem Zustand gelagert werden, da sonst eine Sulphatbildung einsetzt, die eine Wiederaufladung schwierig bis unmöglich macht.
Die SLA verliert bei jedem Lade-Entlade-Zyklus etwas an Kapazität, was aber durch das Vermeiden voller Entladung verhindert werden kann.
Die Energiedichte ist vergleichsweise niedrig, das heißt bei gleicher Kapazität ist das Gewicht höher.
Der Bleigehalt ist nicht umweltfreundlich.

Wie man verhindert, daß zuviel Blei in die Umwelt kommt

Wer nicht will, daß die Umwelt mit zu viel Altblei versetzt wird, muß natürlich die Lebensdauer von Bleiakkus möglichst hoch halten. Ein Beitrag dazu ist, daß man den Bleiakku nicht voll entlädt, da bei nur flacher Entladung der Kapazitätsverlust pro Lade-Entlade-Zyklus minimiert wird.

Doch auch die optimalen Ladegeräte sind anders beschaffen, als bei NiCd oder NiMH. So wird während des Ladevorganges eine Spannungsgrenze statt einer Stromgrenze eingezogen, und "Schnelladung" (läppische 10 Stunden!) findet durch höheren Ladestrom und ein mehrstufiges Ladeverfahren statt.

Die erste Stufe läuft mit konstantem Strom ab und lädt den Akku auf etwa 70% der Kapazität auf. Zu diesem Zeitpunkt nach etwa fünf Stunden wird die Grenzspannung von 2,3 bis 2,45 Volt erreicht und das Ladegerät beginnt die Stromstärke zu senken, bis nach weiteren fünf Stunden der Akku voll ist und der Ladestrom ein Minimum erreicht, das der Selbstentladung entspricht. Die dritte Stufe ist dann eine Sickerladung, die den Akku bis zur Entnahme aus dem Ladegerät in vollem Zustand hält.

Verwendet man ein Ladegerät, das auf den Stromabfall verzichtet, verliert die SLA Kapazität durch Überhitzung während der letzten Ladeschritte. Auch die Grenzspannung, ab der die Stromstärke zu sinken beginnt, spielt eine wichtige Rolle: bei Raumtemperaturen über 30°C sollte die Grenze bei 2,3 - 2,35 Volt liegen, um Überhitzung zu vermeiden. Doch kann, falls das Ladegerät keine Sickerladung beherrscht, zu wenig geladen werden, was dann zu Sulphatbildung und Kapazitätsverlust führt. Wenn dagegen schnelle Aufladung im Vordergrund steht, und die Raumtemperatur unter 30°C liegt, kann die Spannungsgrenze auch bei 2,4 - 2,45 Volt liegen, was zu kürzeren Ladezeiten und der sicheren Verhinderung von Sulphatbildung führt. Achtet man hier jedoch nicht auf die Zellentemperatur, so kann durch zu große Hitze durchaus die Zelle zerstört werden.

Wie geht es weiter ?

Sicherlich ist durch diese Entwicklungen der NiCd-Akku noch nicht überflüssig geworden, zumal auch hier eifrig weiter geforscht wird um die Kapazität und das Leistungsgewicht zu verbessern. So gibt es zum Beispiel eine Schaum-Matrix NiCd Zelle von Panasonic oder einen pastösen NiCd Akku von Sony, die beide Kapazitäten besitzen, wie sie auch bei NiMH Akkus vorkommen (also etwa 30% über dem Standard NiCd Akku). Leider haben diese Akkus auch eine geringere Lebensdauer als herkömmliche NiCd Akkus, jedoch immer noch mehr als NiMH Akkus.

Doch auch andere Technologien, die in den späten Achtzigern und den frühen Neunzigern entwickelt wurden, versprechen höhere Kapazität und Lebensdauer. Und so wie bei Nickel Metallhydrid und dem verbesserten Bleiakku in den Siebzigern ist es wieder eine brandneue Technologie und die Verbesserung eines alten Konzeptes, die auf den Markt treten: Lithium Ionen Akkus als die jüngsten Kinder der Werkstofftechnologie einerseits und wiederverwendbare Alkalibatterien andererseits.

Doch darüber werden wir in der nächsten Folge (>>) berichten.

Michael Köttl