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Nickel-Cadmium-Batterien

Abkürzung: NiCd-Batterien

Aufbau

Die aktiven Komponenten (Aktivmaterialien, siehe Elektrode) von NiCd-Batterien sind im geladenen Zustand Nickel(III)-hydroxid (chemische Formel: NiO(OH)) in der Kathode und Cadmium (chemisches Symbol: Cd) in der Anode. Der Elektrolyt besteht aus verdünnter Kalilauge (Kaliumhydroxid, chemische Formel: KOH).

Elektrochemische Reaktionen

Eigenschaften

NiCd-Batterien sind bei gleichem Energiegehalt leichter als Blei-Säure-Batterien, sehr belastbar, schnelladefähig und kältefest. Das macht sie attraktiv für portable Anwendungen wie schnurlose Werkzeuge. Sie werden aber zunehmend weniger eingesetzt, weil sie giftiges Cadmium enthalten und im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien eine niedrigere Energiedichte aufweisen und zudem zum Memory-Effekt neigen.

Vorteile

  • hohe Belastbarkeit
  • Schnellladefähigkeit
  • gute Kältefestigkeit: Dieser Batterietyp verfügt als einzige Technologie auch bei negativen Temperaturen von bis zu -40 °C noch über eine hohe Leistungsfähigkeit
  • gute Energiedichte: besser als Blei-Säure-Batterien, aber schlechter als Lithium-Ionen- und Nickel-Metallhydrid-Batterien
  • hohe Lebensdauer
  • günstiger Preis
  • lange Lagerfähigkeit

Nachteile

  • schlechte Umweltverträglichkeit: Cadmium ist ein sehr giftiges, umwelt- und gesundheitsgefährdendes Schwermetall, das bei Menschen und Säugetieren Leber, Nieren und Knochen angreift. Ein Recycling ist zu einem großen Teil möglich und gut organisiert, doch viele Zellen werden dem Kreislauf entzogen, etwa indem sie nicht entsorgt werden, sondern in den Hausmüll wandern. Das Inverkehrbringen von Gerätebatterien mit einem Cadmiumgehalt von mehr als 0,002 Gewichtsprozent ist in der EU deshalb seit Dezember 2009 verboten. Von dem Verbot ausgenommen sind Gerätebatterien, die für Not- oder Alarmsysteme einschließlich Notbeleuchtung und für medizinische Ausrüstung bestimmt sind. Batterien, die für die Verwendung in schnurlosen Elektrowerkzeugen bestimmt sind, waren bis zum 31. Dezember 2016 von dem Verbot ausgenommen. Alternativen stellen vor allem Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien dar.1,2
  • neigt zum Memory-Effekt: Bei falscher Handhabung kann es bei diesem Batterietyp zum Memory-Effekt kommen, der ihn schnell unbrauchbar machen kann. Lädt man diesen Batterietyp dauerhaft mit niedrigen elektrischen Strömen oder lädt ihn auf, bevor er komplett entlanden ist, entstehen an der Kathode metallische Kristalle. Dadurch verringert sich die verfügbare Kapazität der Elektrode bei gegebener Belastung zunehmend, sodass die Batterie nur noch für wenige Minuten die nötige elektrische Spannung liefert. Dann empfiehlt es sich, den Energiespeicher so weit zu entleeren, bis das Gerät nicht mehr funktioniert. Dann ist die sogenannte Geräte-Abschaltspannung erreicht und der Ladevorgang kann beginnen. Ist eine NiCd-Batterie durch den klassischen Memory-Effekt lahmgelegt, kann er durch vollständige Entladung mit einem speziellen Refreshing-Gerät wieder reaktiviert werden. Moderne Ladegeräte vermeiden den Memory-Effekt durch exakte Messung des Ladezustands sowohl vor der eigentlichen Ladung als auch beim Erreichen der maximalen Kapazitätsgrenze.
  • hohe Selbstentladung: innerhalb von drei Monaten auf 20 Prozent Restkapazität

Leistungsdaten3

  • Zellen-Klemmenspannung: 1,2 Volt
  • Lebensdauer in Ladezyklen: 1.000 bis 1.500 (2.000)
  • verwendbar bei Umgebungstemperaturen von (-40° C) -30° C bis 50° C (70° C)
  • typische Energiedichte: 50 bis 70 Wh/kg (theoretisch ca. 240 Wh/kg)
  • typische volumetrische Energiedichte: 130 Wh/L
  • typische Leistungsdichte: 150 bis 200 W/kg
  • typische Selbstentladung: innerhalb von drei Monaten auf 20 Prozent Restkapazität

Anwendungen

Der Verkauf neuer cadmiumhaltiger Batterien in der EU ist seit Dezember 2009 nur noch für wenige Anwendungen zulässig. Das sind Gerätebatterien, die für Not- oder Alarmsysteme einschließlich Notbeleuchtung und medizinische Ausrüstung bestimmt sind. Alle anderen Gerätebatterien mit einem Cadmiumgehalt von mehr als 0,002 Gewichtsprozent sind verboten.2

Literatur

  1. Petrikowski, F.; Kohlmeyer, R.; Jung, M.; Steingrübner, E.; Leuthold, S., Batterien und Akkus – Ihre Fragen – Unsere Antworten zu Batterien, Akkus und Umwelt, Umweltbundesamt, Fachgebiet III 1.2 „Rechtsangelegenheiten, Vollzug ElektroG und BattG“: Dessau (2012)
  2. Gesetz über das Inverkehrbringen, die Rücknahme und die umweltverträgliche Entsorgung von Batterien und Akkumulatoren (Batteriegesetz – BattG) vom 25.06.2009 (BGBl. I, S. 1582); Online (jüngster Zugriff: 30.05.2018)
  3. Johnson Matthey Battery Systems, Hrsg., Technologien – Zellen – Nickel-Cadmium (NiCd), Johnson Matthey Battery Systems: Gliwice, (2014); Online (jüngster Zugriff: 30.05.2018)
  • Die Welt der Batterien, Funktion, Systeme, Entsorgung, 2. überarb. Auflage; Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien: Hamburg (2007)
  • Holze, R.; Ensinger, W., Roempp – Stichwort Akkumulatoren, Georg Thieme Verlag KG: Stuttgart (2012); Online (jüngster Zugriff: 30.05.2018)
  • Johnson Matthey Battery Systems, Hrsg., Technologien – Zellen – Nickel-Cadmium (NiCd), Johnson Matthey Battery Systems: Gliwice, (2014); Online (jüngster Zugriff: 30.05.2018)