Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH)

Auf der Suche nach einem umweltverträglichen Ersatz für den Nickel-Cadmium-Akku (NiCd) wurde das Cadmium (Cd) durch eine Metalllegierung ersetzt. Die Legierung ist in der Lage Wasserstoff zu absorbieren. Dieses System hat gleichzeitig auch eine höhere Energiedichte. Die Masse der negativen Elektrode kann reduziert und der Platz mit mehr positiver Masse aufgefüllt werden. Dabei ist der Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) entstanden. Ein entscheidender Vorteil ist, dass es keinen Memory-Effekt gibt, dafür den Lazy-Battery-Effekt. Das bedeutet, bei unvollständiger Entladung sinkt die Spannung der NiMH-Zelle etwas ab.

Die NiMH-Zelle ist spannungskompatibel zur NiCd-Zelle. Erreicht allerdings die Strombelastbarkeit nicht ganz. Hochstromanwendungen, wie zum Beispiel bei Akku-betriebenen Power-Tools (Bohrmaschienen, Akkuschrauber, ...) sind mit NiCd-Akkus besser bedient. Wobei auch hier die NiCd-Akkus in der Regel durch Lithium-Akkus ersetzt werden. Typischerweise werden NiMH-Akkus in AA- und AAA-Bauweise verwendet.

Herkömmliche NiMH-Akkus entladen sich relativ schnell. Dafür wurden LSD-NiMH-Akkus (Low Self Discharge) entwickelt, die eine geringer Selbstentladung aufweisen.

NiMH-Ladeverfahren

Aktuelle NiMH-Akkus können mit einem hohen Ladestrom geladen werden. Dann sind die Akkus schon nach wenigen Stunden voll. Der maximale Ladestrom darf dabei trotzdem nicht überschritten werden. Ist der Akku voll, dann kann jede weitere Energiezufuhr den Akku dauerhaft schädigen. Ein gutes Ladeverfahren und ein entsprechend guter Akkulader können teilgeladene Akkus erkennen und zuverlässig das Ladeende bestimmen. Dabei spielt es keine Rolle wie alt der Akku ist, welche Nennkapazität er hat und welche Umgebungstemperatur herrscht.
Ein voller Akku wandelt die zugeführte Energie direkt in Wärme um. Gute Ladegeräte messen die Temperaturänderung und erkennen wann die Ladung beendet werden muss.

Akkusspannung in Abhängigkeit der zugeführten Leistung

Die Akkuspannung nimmt bei vollem Akku nicht mehr zu. Wegen zunehmender Temperatur und Gasung nimmt sie sogar ein bisschen ab. Dabei beginnt schon die Überladung. Ein guter Akkulader lädt den Akku und prüft die Spannungsdifferenz und Temperaturdifferenz. Stellt sich der Ladespannungsbuckel nicht ein, weil der Akku bereits voll ist führt die Temperaturerhöhung zum Ladeende.
Das CCS-Ladeverfahren (Computerized Charging System) führt periodische Messungen unter wechselnder Last an den Akkus durch. Aus dem charakteristischen Impedanzwerten wird der Ladezustand berechnet. Ein Überladen gibt es nicht mehr.

Den von NiCd-Akkus bekannten Memory-Effekt gibt es bei NiMH-Akkus nicht mehr. Wenn sich die Akkuleistung von NiMH-Akkus verringert, dann sind das Schäden durch Überladung, Überhitzung oder Tiefentladung.
Die Entladefunktion der Ladegeräte, die bei NiCd-Akkus Sinn macht, sollte bei NiMH-Akkus nicht angewendet werden. Bei einem vollen Entlade- und Ladezyklus muss die komplette Akku-Chemie umgeschichtet werden. Nach Möglichkeit sollte das vermieden werden.
NiMH-Akkus schaffen mehrere tausend Ladezyklen. Der Akku nutzt sich durch Teilentladung wesentlich weniger ab.

Selbstentladung

Blitzgeräte, Digitalkameras, mobile Geräte und ferngesteuertes Spielzeug sind üblicherweise am ehesten für Akkus geeignet. Hier muss man die Akkus regelmäßig wechseln oder aufladen. Doch wenn ein Akku- bzw. Batterie-Wechsel nur sehr selten in Frage kommt, dann lohnen sich Akkus nicht. Denn die Selbstentladung von Akkus ist höher als bei Batterien. Die Selbstentladung schränkt die Anwendungen von Akkus schnell ein. Zum Beispiel sind Fernbedienungen in der Regel mit Batterien besser dran. Dort ist die Stromentnahme nur ganz kurz und auch nur selten.

Die Akkutechnik hat sich wegen der Nachfrage in den letzten Jahren rasant verändert. Hauptsächlich haben die Hersteller Akkus mit immer mehr Kapazität auf den Markt gebracht. NiMH-Akkus mit 2700 mAh haben fast so viel Kapazität wie Alkalibatterien. Doch diese Entwicklung ging zu Lasten der Selbstentladung. Diese Kapazitäten sind selten nutzbar. Denn schon nach wenigen Tagen verlieren die Zellen 10 bis 20 Prozent ihrer Ladung. Solche Akkus eignen sich nicht für elektronische Geräte, die nur wenig oder selten Strom brauchen.

Die steigende Selbstentladung der NiMH-Akkus werden zugunsten höherer Kapazitäten von den Herstellern in Kauf genommen. Die Gründe für die Selbstentladung sind komplex und vielfältig. Zum einen spielen die chemischen Veränderungen, Diffusion und Verunreinigungen eine Rolle. Die Selbstentladung ist auch temperaturabhängig. Je wärmer, desto stärker. Dabei reagiert der Wasserstoff mit der Anode und Kathode und verringert die Kapazität.

LSD-NiMH-Akku

Die rasche Selbstentladung haben die Kunden sehr wohl wahrgenommen. Das hatte zur Folge, dass weniger NiMH-Akkus verkauft wurden. Aus diesem Grund haben die Akku-Hersteller hochkapazitive NiMH-Akkus mit geringer Selbstentladung entwickelt. Der Begriff LSD-NiMH-Akku hat sich bereits durchgesetzt. LSD steht dabei für Low Self Discharge.
NiMH-Akku: Selbstentladung im Vergleich
Die Unterscheidung zwischen einem LSD-NiMH-Akku und einem normalen NiMH-Akku ist der Innenwiderstand. Der geringere Innenwiderstand führt zu einer stabileren Spannung, auch bei hohen Strömen und damit zu einer höheren Effizienz.
Entladekurve eines LSD-NiMH-Akku
Während der Entladung sinkt die Spannung von NiMH-Akkus von 1,35V sehr schnell auf 1,2V. Ab da bleibt dieser Wert mehrere Stunden erhalten. Dieser Effekt bringt so manche Ladestandsanzeige aus dem Tritt, die zuerst eine schnellen Entladung deutet, um dann sozusagen auf mittlerem Niveau lange Zeit stehen zu bleiben.
LSD-NiMH verlieren im ersten Monat ca. 15 Prozent ihrer Ladung. Danach stabilisiert sich die Selbstentladung auf wenige Prozent Kapazitätsverlust pro Monat. Die Selbstentladung bleibt fast linear.

Während sich normale NiMH-Akkus für Geräte mit wenig Strombedarf nicht lohnen und Batterien dafür viel besser eignen, hat sich das mit LSD-NiMH-Akkus wieder geändert. Ausnahmen bilden weiterhin Rauchmelder, die auch noch nach Jahren der Untätigkeit, besser mit Alkali-Batterien zu betreiben sind. LSD-NiMH-Akkus können Batterien teilweise, aber immer noch nicht vollständig ersetzen.

NiMH-Akku-Hersteller

Obwohl es scheinbar sehr viele Akku-Anbieter auf dem Markt gibt, gibt es tatsächlich nur 3 Hersteller von NiMH-Akkus auf der Welt. Darunter Sanyo, GP und Yuasa. Alle anderen Akku-Anbieter, wie Varta, Hama, Conrad, Ansmann oder Duracell fertigen nicht selber, sondern beziehen ihre NiMH-Akkus von einem dieser 3 Hersteller. Wer sich von wem bedient, ist nicht bekannt. Die Branche hüllt sich in Schweigen. Sicher ist nur, dass Sanyo bevorzugt unter eigenem Namen verkauft und das die meisten NiMH-Akkus auf dem weltweiten Markt entweder von GP oder Yuasa stammen.

Anwendung

NiMH-Akkus befindet sich überall in Geräten des täglichen Gebrauchs:

  • Camcorder
  • Digitalkameras
  • Schnurlose Telefone
  • Modellbau

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