www.jens-seiler.de Nickel-Metallhydrid-Akkus www.jens-seiler.de

Nickel-Metallhydrid-Akkus

verschiedene Akku-Typen

Inhalt

Für alle eiligen Personen sei an dieser Stelle meine neue Stichpunkt-Liste empfohlen: Akku-Tips in Stichpunkten

Begriffe

Ampere (A)
Der elektrische Strom. Stellt man sich einen Stromkreis wie ein Netzwerk aus Wasserrohren vor, dann entspricht der Strom einer gewissen Durchflussmenge in einer gewissen Zeit. Beim elektrischen Strom ist es nichts anderes: 1 Ampere ist ein Strom, bei dem pro Sekunde 6,26·1018 Elektronen durch einen Leiter fließen.
Amperestunden (Ah)
Eine Angabe in Amperestunden ist eine Kapazitätsangabe. 2 Amperestunden (Ah) bedeuten beispielsweise, dass eine Stunde lang ein Strom von 2 Ampere entnommen werden kann. Oder aber zwei Stunden lang ein Ampere oder natürlich auch 4 Stunden lang ein halbes Ampere usw. Tatsächlich ist es aber so, dass bei einem Akku die Kapazität mit dem Entladestrom abnimmt. Zum Beispiel kann es vorkommen, dass ein Akku zwar 20 Stunden lang einen Strom von 100 mAh liefern kann, bei einem zehnfachen Strom von 1 Ampere aber nicht ein zehntel der Zeit, also 2 Stunden, sondern nur zum Beispiel 1,5 Stunden durchhält. Üblicherweise entspricht die auf einem Akku aufgedruckte Nenn-Kapazität derjenigen Kapazität, die man bei einem Entlandestrom von C/10 erhält.
C
Mit dem Buchstaben C wird im Allgemeinen die Kapazität eines Akkus in Amperestunden (Ah) bezeichnet. Angaben wie C/10, C/2 oder 2C beziehen sich dann auf einen Lade- oder Entladestrom. Hat ein Akku beispielsweise eine Kapazität von 2000 mAh, also 2 Ah, so ist diese Kapazität für diesen Akku 1C. Eine Angabe beim Ladestrom von C/10 bedeutet dann, dass dieser Akku mit einem Strom, der dem Zehntel seiner Kapazität entspricht, also 200 mA geladen wird. Wer genau hinsieht entdeckt dabei einen Fehler. Eine Kapazität wird in Amperstunden (Ah) angegeben, der Strom jedoch nur in Ampere (A). C/10 wären genau genommen auch eine Kapazität, da sich die Stunden (h) nicht herauskürzen. Man muss also Aufpassen: wird von Strömen gesprochen muss man ein Auge zudrücken und sich das h einfach wegkürzen. Bei Kapazitäten ist die Angabe in Amperestunden natürlich richtig.
Nickel-Metallhydrid (NiMH)
Die Bezeichung Nickel-Metallhydrid gibt die Bestandteile der positiven und der negativen Elektrode des Akkus an. Bei der abkürzenden Bezeichnung NiMH ist darauf zu achten, dass das H hier nicht für den atomaren Wasserstoff steht, sondern das es zusammen mit dem M als Metallhydrid gelesen wird. Metall ist ja auch kein chemisches Element, sondern eine übergeordnete Bezeichnung. Bei einem NiMH-Akku besteht die negative Elektrode aus einem Metallhydrid, meist einer Legierung aus Nickel und Lanthan oder Titan- und Zirkonium-Legierungen. Ein Metallhydrid ist eine metallische Verbindung die in der Lage ist Wasserstoff aufzunehmen. Die positive Elektrode besteht aus Nickelhydroxid.

Laden

Beim Laden unterscheidet man einerseits zwischen Stromladung und Spannungsladung sowie zwischen den Ladeschlusserkennungen.

Spannungsladung

Die Spannungsladung ist eher für Blei-Akkus geeignet und nicht für Nickel-Metallhydrid-Akkus. Bei der Ladung nach Spannung wird eine konstante Spannung über einen Strombegrenzer, zum Beispiel einem Widerstand, an einen Akku angelegt. Der Strom der dann durch den Akku fließt und diesen auflädt, wird dann durch die Spannung des Akkus bestimmt. Ein leerer Akku hat eine geringe Spannung und die große Spannungsdifferenz zwischen Akku und der Spannungsquelle hat einen großen Ladestrom zur Folge. Bei zunehmender Akku-Spannung wird der Ladestrom immer kleiner.
Liegt die Spannung der Spannungsquelle auf oder unterhalb der Ladeschlussspannung, so kann ein Akku bei dieser Lademethode nicht überladen werden. Allerdings ist die Spannung eines Akkus nicht unbedingt ein Kriterium für dessen "Füllstand" und hängt auch stark vom Strom, Temperatur und Zustand (Alter) ab. Somit ist eine reine Ladung nach Spannung für NiMH-Akkus ungeeignet.

Stromladung

Bei der Stromladung wird ein Akku mit einem festem oder gepulstem Strom geladen. Anders als bei der Spannungsladung ist also der geladene Strom pro Zeiteinheit konstant. Die Ladung mit Strom muss rechtzeitig, wenn der Akku voll ist, beendet werden. Folgende Ladeschlusserkennungen sind dabei üblich:

Ladeschlusserkennung nach Zeit

Dies ist die einfachste, aber auch ungünstigste Ladeschlusserkennung, die in vielen günstigen Ladegeräten Anwendung findet.
Geht man von einem leeren Akku aus, so braucht man einen konstanten Strom nur so lange zur Ladung fließen zu lassen, bis die Kapazität des Akkus erreicht ist. In der Praxis ist aber Aufgrund von Verlusten mehr Ladung erforderlich und zwar etwa 1,4C bis 1,6C.
Beispiel: ein leerer 2000 mAh-Akku wird insgesamt mit einer Kapazität von 1,4·2000 mAh = 2800 mAh geladen. Also zum Beispiel 10 Stunden lang mit 280 mA oder 14 Stunden lang mit 200mAh. Letzteres ist eine typische Ladeanweisung für "langsames" Laden: 14h mit C/10.

Diese Lademethode ist aber relativ ungeeignet. Denn damit sie funktioniert muss der Akku vollständig entladen oder sein "Füllstand" bekannt sein. Außerdem muss man seine Gesamtkapazität kennen die vor allem bei älteren Akkus stark unterhalb der aufgedruckten Nennkapazität liegt.

Ladeschlusserkennung nach "minus Delta U" (-ΔU)

Mit dem Delta (Δ) bezeichnet man in der Mathematik Differenzen. "minus Delta U" bedeutet in diesem Fall eine negative Spannungsdifferenz. Diese Ladeschlusserkennung macht sich folgenden Effekt zu nutze: wird ein Akku mit konstantem Strom geladen, steigt seine Spannung immer weiter an. Ist ein Akku voll, so erreicht seine Spannung jedoch ein Maximum und fällt bei weiterem Stromfluss wieder leicht ab. Dieser leichte Spannungsabfall, der bei NiMH-Akkus nur etwa 15-25mV beträgt, wird von der Ladeelektronik erkannt und die Ladung wird beendet. Der Spannungsabfall entsteht durch einen Prozess, der unter "Ladeschlusserkennung nach Temperatur" weiter erläutert wird.
Wichtig ist, dass der Ladestrom ausreichend hoch genug ist (etwa ab C/4), da sonst der Effekt der negativen Spannungsdifferenz zu gering ausfallen kann.

Ladeschlusserkennung nach "Ableitung der Spannung" (dU/dt)

Mit dem Begriff "Ableitung" ist hier die mathematische Ableitung gemeint. In der Mathematik beschreiben Ableitungen eine Veränderungsrate. Mit "dU/dt" wird die Ableitung der Spannung nach der Zeit beschrieben, was soviel bedeutet wie: "Wie verändert sich die Spannung im Verlauf der Zeit, also des Ladeprozesses". Wie unter "Ladeschlusserkennung nach "minus Delta U" (-ΔU)" beschrieben, steigt die Spannung eines  Akkus bei Konstantstromladung zunächst an. Für die Ableitung dU/dt (gelesen "dU nach dt") bedeutet das, dass der Wert der Ableitung positiv ist. Eine fallende Spannung hätte eine negative Ableitung zur Folge. Der Mikroprozessor eines Ladegerätes nach dU/dt-Prinzip beendet die Ladung nun genau dann, wenn die Ableitung dU/dt den Wert 0 erreicht, die Spannung also ihr Maximum erreicht hat. Dieser Zeitpunkt findet etwas eher statt als der Abschaltzeitpunkt nach -ΔU, wo die Spannung ja bereits wieder im Sinken begriffen war. Da die Abschaltung tatsächlich erfolgt wenn der Akku noch nicht ganz voll ist, wird noch einige Zeit mit einem geringerem Ladestrom, etwa C/10 weitergeladen.

Ladeschlusserkennung nach Temperatur

Ist ein Akku beinahe voll geladen so beginnt neben den üblichen chemischen Prozessen im Akku die Produktion von Sauerstoff an der positiven Elektrode zuzunehmen. Dieser Prozess läuft zwar grundsätzlich immer ab, jedoch wird der Sauerstoff durch Katalysatoren im Akku normalerweise schnell genug wieder abgebaut. Erst gegen Ladungsende entsteht mehr Sauerstoff als kurzfristig abgebaut werden kann und der Zellinnendruck erhöht sich. Dabei erhöht sich auch die Temperatur, was das Ladegerät zur Abschalterkennung nutzt. Aufgrund der erhöhten Sauerstoffkonzentration an der positiven Elektrode kommt es übrigens zunächst zu einer leichten Spannungserhöhung und anschließend aufgrund der erhöhten Temperatur zu einem Spannungsabfall. Dies sind die Ursachen für die in den Methoden "Ladeschlusserkennung nach "Ableitung der Spannung" (dU/dt)" und "Ladeschlusserkennung nach "minus Delta U" (-ΔU)" beschriebenen Effekte.

Der Einsatz der Ladeschlusserkennung nach Temperatur kann kritisch sein. So könnte Aufgrund mangelnder Wärme-Kopplung zwischen Zelle und Temperatursensor der Akku stark überladen und geschädigt werden. Bei guter Kopplung sind allerdings gute Resultate erzielbar. Sie findet daher teilweise Anwendung, wenn der Temperatursensor im Akkupack integriert ist. So sind auch Fehlfunktion relativ gut ausgeschlossen.

Dauer-Niedrigstrom-Ladung

Für den Fall, dass Akkus ständig voll geladen sein müssen, um etwa in einem Notfall sofort einsatzbereit zu sein, gibt es die Dauerladung mit niedrigem Strom. Der Akku-Hersteller Gold Peak empfiehlt in seinem äußerst lesenswertem Datenblatt zu NiMH-Akkus einen Ladestrom von C/20 bis hinauf zu C/10, was dem normalen Ladestrom für Akkus entspricht! Laut Datenblatt sollen GP-Akkus diese Dauerladung mit C/10 bis zu über einem Jahr (ohne "mechanische" Beschädigung) aushalten. "Keine mechanische" Beschädigung bedeutet aber nicht, dass die Leistung des Akkus nicht geschädigt wird und so empfehle ich für diesen Anwendungsfall einen Ladestrom von C/20.

Benutzen (Entladen)

Akkuspannung beim Benutzen / Entladen

Spannungsverlauf Akku gegenüber Batterie
Die blaue Linie zeigt den flachen Spannungsverlauf einer NiMH-Zelle. Bereits nach nichteinmal 50% der entnommenen Kapazität liegt die Spannung des Akkus höher als die der Batterie. Nach etwa 60% der Kapazität erreicht eine Batterie die Schwelle von 1,2V, die Nennspannung einer NiMH-Zelle. Der Entladestrom betrug jeweils C/10.

NiMH-Akkus haben eine Nennspannung von 1,2V. Das lässt sie zunächst den "herkömmlichen" Batterien mit ihrer Spannung von 1,5V unterlegen erscheinen. Es gibt jedoch einen Faktor, den man dabei in Betracht ziehen muss: den Spannungsverlauf beim Entladen.
Ein NiMH-Akku hat einen sehr flachen Spannungsverlauf beim Entladen. Das bedeutet, dass die Spannung beim Gebrauch des Akkus fast bis zum Ende seiner Kapazität bei 1,2V bleibt. Erst zum Schluss fällt dann die Spannung sehr stark ab. Man bemerkt diesen flachen Spannungsverlauf sehr gut bei Taschenlampen. Die Lampe bleibt die ganze Zeit über hell und erst am Schluss fällt die Helligkeit dann fast schlagartig ab.
Der Spannungsverlauf von herkömmlichen Batterien mit 1,5V ist steiler. Zwar hat die Batterie zu Beginn über 1,5V doch fällt diese Spannung während des Gebrauchs immer weiter - nahezu linear - ab, bis die Batterie am Ende ihrer Kapazität ankommt.

Tatsächlich liegt die Spannung einer NiMH-Zelle, betrachtet man es über die gesamte Nutzungsdauer, höher als die einer normalen Batterie. Denn während eine Batterie schon nach kurzer Zeit unter 1,2V fällt, geschieht dies bei einer NiMH-Zelle erst wesentlich später in ihrer Entladung.
Aus diesem Grund sind NiMH für nahezu alle batteriebetriebenen Geräte geeignet. Falls ein Gerät nur mit 1,5V Batterien funktioniert: schmeissen sie es weg, denn es wird auch diese 1,5V Batterien nur zu einem Bruchteil ihrer Kapazität nutzen können.

Allerdings hat der flache Spannungsverlauf von NiMH-Zellen einen Nachteil: man kann durch bloßes messen der Zellenspannung nicht auf seine verbleibende Restkapazität zurückschließen. Wie man am Diagramm sieht wird erst gegen Ende schnell klar, dass der Akku leer ist. Je nach Abschaltschwelle im verwendeten Gerät kann die Vorwarnzeit aber extrem gering sein!

Selbstentladung

NiMH-Akkus unterliegen einer Selbstentladung. Ohne verwendet zu werden entleeren sich NiMH-Akkus mit der Zeit. Je älter ein Akku ist, desto größer wird seine Selbstentladungsrate. Höhere Temperaturen beschleunigen die Selbstentladung ebenfalls enorm. Eine exakte Selbstentladungsrate für alle NiMH-Akkus lässt sich nicht angeben, aber eine Abschätzung mit etwa 25% pro Monat ist durchaus angemessen. Das bedeutet, dass ein 2000 mAh-Akku nach einem Monat nur noch 1500 mAh geladene Kapazität und nach einem weiterem Monat nur noch 1125 mAh geladene Kapazität hat. Der Selbstentladung kann durch Dauerladung entgegengewirkt werden. Bei längerer Nichtbenutzung eines Akkus sind ein paar Dinge zu dessen Lagerung zu beachten.

Kapazität beim Entladen

Die auf dem Akku aufgedruckte Kapazität ist nicht unbedingt die Energiemenge, die man einem vollgeladenem Akku auch entziehen kann. Die tatsächliche Kapazität ist nämlich neben dem Alter und der Temperatur auch von der Stromstärke abhängig, mit der der Akku entladen wird. Grundsätzlich gilt: je höher die Belastung, also der Entladestrom ist, um so geringer ist die Kapazität des Akkus. Das Datenblatt von Gold Peak zeigt zum Beispiel, dass bei einer Entladung mit nur 0,2C der Akku tatsächlich 110% gegenüber einer Entladung mit 1C liefert. Eine Entladung mit hohen Strömen wie etwa im Modellbaubereich haben geringere Kapazitäten zur Folge. So sinkt bei einem Entladestrom von 3C die entnehmbare Kapazität auf unter 90% der Kapazität bei 1C ab. Welcher Entladestrom bei der aufgedruckten Nennkapazität eines Akkus angenommen wurde ist Sache des Herstellers. Meistens sind es wohl Angaben, die sich auf C/10 beziehen, was durchaus realistisch bezüglich der Entladestromstärke ist und auch für das Marketing der Hersteller relativ gute hohe Kapazitäten liefert.

Auch die Temperatur hat einen Einfluss auf die Entladekapazität von NiMH-Akkus. Während höhere Umgebungstemperaturen die Kapazität nur sehr geringfügig steigen lassen, haben niedrigere Temperaturen einen merkbaren Kapazitätsverlust zur folge. So sind bei -10°C oftmals nur noch unter 80% der Kapazität entnehmbar, die bei 25°C zur Verfügung ständen. Selbst bei 0°C sind nur knapp über 80% der Kapazität nutzbar.

Entladen von in Reihe geschalteten Akkus

Die meisten Akku-betriebenen Geräte benötigen mehr als eine einzige Akku-Zelle, da sie eine höhere Spannung benötigen. Dazu werden mehrere Akkus in Reihe geschaltet, so dass sich die Einzelspannungen addieren. Die Gesamtkapazität der in Reihe geschalteten Akkus entspricht aber nur der des Akkus mit der geringsten Kapazität. Das kann negative Folgen haben, wenn einer der Akkus eine geringere Kapazität hat als der Rest: beim Entladen nimmt die Spannung eines Akkus langsam ab. Ist nun ein Akku schwächer als die anderen im gesamten Akkusatz, so ist kann er bereits vollständig entladen sein, während der gesamte Akkusatz noch über genügend Spannung verfügt um das Gerät in dem es sich befindet weiter zu betreiben. Dadurch kann ein bereits vollständig entladener Akku auf eine Spannung von unter 0V fallen, er wird also sozusagen von den restlichen Akkus im Akkupack negativ aufgeladen. Auch gute Akkus überleben das nicht lange!
Das geschilderte Problem ist die häufigste Ursache für defekte Akkus, daher: Nur Akkus mit gleicher Kapazität und gleichem Ladezustand gemeinsam verwenden und einen solchen Akkusatz niemals vollständig leersaugen.
Oft merkt man schon, wenn ein Akku eines Akkusatzes leer ist. Eine Taschenlampe leuchtet zum Beispiel plötzlich dunkler. Es ist dann wichtig, sofort die Lampe / den Verbraucher auszuschalten um den leeren Akku nicht zu schädigen.

Wegen des oben geschilderten Effekts habe ich meine Akkus nummeriert und teste ab und zu ihre Kapazität. Bei starken Kapazitätsunterschieden nummeriere ich die Akkus dann wieder um, so dass ich nur Akkus mit ähnlicher Kapazität zusammen verwende.
Meine selbstgebaute Taschenlampe, das JarLight Mark 3, habe ich gezielt für nur eine einzige Akkuzelle konstruiert. Somit wird das Problem vollständig umgangen.

Lagern

Wird ein Akku für längere Zeit nicht mehr benutzt, entweder weil das Gerät als ganzes nicht mehr genutzt wird, oder weil man mehrere Akkusätze hat und jeder nicht aktive Akkusatz bis zu seinem nächsten Einsatz lagern muss, sollte man einige Dinge bei seiner Lagerung betrachten.

Jeder Akkus unterliegt einer Selbstentladung. Diese Selbstentladung auch ohne angelegte Last wird hervorgerufen interne Prozesse im Akku selbst. So zersetzt sich das Nickelhydroxid der geladenen positiven Elektrode und aus dem Metallhydrid der geladenen negativen Zelle tritt Wasserstoff aus, der mit der positiven Elektrode reagiert. Neben diesen prinzipbedingten, unvermeidbaren Prozessen können auch Verunreinigungen innerhalb der Zelle zur Selbstentladung beitragen.
Die Selbstentladung wird durch höhere Temperaturen sehr stark begünstigt, es ist also ein kühler Ort zur längerfristigen Lagerung vorzuziehen.

Werden Akkus gelagert, ohne dass sie Aufgrund ihres Anwendungszweckes geladen sein müssen. So ist es besser, sie nur im teilweise geladenem Zustand aufzubewahren. Die bei der Selbstentladung auftretenden, langsamen Prozesse können nämlich durchaus auch dauerhaft schädliche Wirkungen haben und die Gesamtlebenszeit des Akkus verringern. Während ältere Nickel-Kadmium Akkus bis auf 0V entleert und so gelagert werden konnten, ist bei NiMH Akkus eine so tiefe Entladung nicht empfehlenswert. Diese Erfahrungswerte - Akkus nicht voll geladen zu Lagern und erst vor ihrem Einsatz aufzuladen - habe ich sowohl in der FAQ von de.sci.electronics, als auch in der FAQ von de.rec.modelle.misc gefunden. Das deckt sich auch mit meinen Erfahrungen. Genaue Ursachen für den negativen Effekt der Selbstentladung sind mir aber ebenfalls nicht bekannt.

Ergänzung (11.01.2004): Auf Anfrage bei Sanyo (deren Akkus ich am meisten nutze) erhielt ich die Antwort, dass bei kurzzeitiger Lagerung zwischen 1 Woche und 1 Monat der Ladezustand unbedeutend ist.

Folgenden Artikel habe ich in der Newsgroup de.sci.electronic bezüglich weißer Kristalle an Akkus und Batterien geschrieben. Der komplette Thread kann mit Google-Groups betrachtet werden.

Von: Jens Seiler (usenet@jens-seiler.de)
Betrifft:Re: Korrosion durch ausgelaufene Batterien
Newsgroups: de.sci.electronics
Datum: 2003-10-22 01:46:12 PST

> [...] Ich habe beobachtet dass ältere Batterien
> (meistens mit Papiermantel) weisse kristalline Salze(?) bilden die an
> Kunststoffen oder Metallen (Federkontakten) haften aber mechanisch zu
> entfernen sind. Was ist das eigentlich genau und gibt es hier eine
> Möglichkeit dieses Pulver zu lösen und chemisch zu neutralisieren ?

Also bei einigen Akkus entstehen auch diese weißen Rückstände. Laut
http://www.moltech.com/techdata/appmanuals/NiMH_Application_Manual.asp
handelt es sich dabei um Kaliumkarbonat:
"When both Nickel-Metal Hydride cells and Nickel Cadmium cells are
stored under load, small quantities of electrolyte can ultimately begin
to seep around the seals or through the vent. This creep leakage may
result in the formation of crystals of potassium carbonate, which
detract cosmetically from the appearance of the cell."

Ich denke, man kann das auch auf Batterien übertragen, denn laut obiger
Quelle besteht der Elektrolyt eines Akkus auch aus alkalischen Lösungen:
"The electrolyte used in the Nickel-Metal Hydride cell is alkaline, a
dilute solution of potassium hydroxide containing other minor
constituents to enhance cell performance."

Kaliumkarbonat ist gut wasserlöslich und kann daher einfach mit einem
feutchtem Wattestäbchen oder ähnlichem entfernt werden. Laut
http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Chemie/ch_potta.htm ist es ein
gesundheitsschädlicher Stoff. Allerdings habe ich Pottasche als nicht so
bedenklich in Erinnerung. Bei den winzigen Mengen wie in Deinem Fall ist
eine Entsorgung im Hausmüll sicherlich problemlos möglich.


Gruß,
Jens Seiler

Ronald Lembcke teilte mir bezüglich des obigen Newsgroup-Artikels darauf hin mit, dass Kaliumhydroxid in Verbindung mit dem Wasser des feuchten Wattestäbchens Kalilauge ergibt. Man sollte also vorsichtig mit den Wattestäbchen umgehen und nach dem ersten Entfernen die gereinigte Stelle trocknen und nochmals mit einem frischen Wattestäbchen abspülen.
Vielen Dank für den Hinweis!

Solange man sich die Wattestäbchen nicht unbedingt in die Augen drückt, sollte aber keine Gefahr bestehen ;-)

weiterführende Links

Ich würde mich sehr über Anmerkungen, Kommentare, eigene Erfahrungen und weiterführende Links zum Thema freuen. Bitte meldet Euch bei mir oder schreibt in meinem Bastelecke-Forum! Das gleiche gilt, wenn ihr Fragen habt. Ich werde versuchen sie in meinem Forum zu beantworten.

© Jens Seiler, last change: 07/10/07 15:01