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Nickel-Metallhydrid-Batterien

Abkürzung: NiMH-Batterien

Aufbau

In NiMH-Batterien enthält die Kathode Nickelhydroxid (chemische Formel: Ni(OH)2). Die Anode besteht oft aus einer Legierung (in der chemischen Formel mit M abgekürzt, siehe Abbildung) aus Lanthan und Metallen. Sie ist in der Lage, Wasserstoff zu binden oder diesen in Form positiv geladener Wasserstoffteilchen (Protonen) abzugeben. Die Elektrolyte sind in dem meisten Fällen verdünnte Kalilaugen (Kaliumhydroxid).

Elektrochemische Reaktionen

Eigenschaften

Vorteile

  • hohe Energiedichte
  • sehr robust, aber nicht so robust wie Nickel-Cadmium-Batterien: verträgt Tiefentladung und Überladungen, was die Komplexität von Batteriemanagementsystemen vereinfacht, weil sie diese Phänomene nicht berücksichtigen müssen
  • sehr temperaturbeständig: arbeitet zuverlässig bei Außentemperaturen zwischen -15°C bis 40°C
  • schnelle Aufladung möglich
  • umweltfreundlicher als viele andere Zellchemien (z. B. Nickel-Cadmium-Batterien): Es werden keine giftigen Schwermetalle wie Cadmium, Blei und Quecksilber verwendet. Nickel kann recycelt werden.

Nachteile

  • sehr hohe Selbstentladungsrate: bis zu zehnmal höher als bei Blei-Säure-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien. Seit 2006 gibt es allerdings neue Typen von NiMH-Batterien mit neuen Separatoren auf dem Markt, welche eine deutlich geringere Selbstentladung aufweisen: nach Herstellerangaben betragen diese nur noch etwa 15 Prozent pro Jahr.
  • neigt zum Memory-Effekt (siehe Lebensdauer), obwohl dies nicht so ausgeprägt ist wie bei Nickel-Cadmium-Batterien: Bei falscher Handhabung kann es bei diesem Batterietyp zum Memory-Effekt kommen, der ihn schnell unbrauchbar machen kann. Lädt man ihn dauerhaft mit niedrigen elektrischen Strömen oder lädt ihn auf, bevor er komplett entlanden ist, verringert sich die verfügbare Kapazität 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 NiMH-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.
  • Batterie verliert durch lange Lagerung an Kapazität. Dieses Problem kann durch mehrfaches Laden und Entladen vor Gebrauch der Batterie behoben werden.
  • Selbst wenn die Batterie eine hohe Kapazität hat, bedeutet dies nicht unbedingt, dass diese auch nutzbar ist, da NiMH-Batterien nur etwa 50 Prozent der gesamten Energie, die in ihnen gespeichert ist, abgeben können.
  • Die Zellspannung beträgt nur 1,2 Volt. Um eine Batterie mit hoher Spannung herzustellen, werden viele Zellen benötigt, was die Batterie anfälliger macht. Denn eine Batterie ist immer nur so stark wie ihr schwächstes Glied (vgl. Reihenschaltung)

Leistungsdaten1

  • Zellen-Klemmenspannung: 1,2 – 1,3 Volt
  • typische Lebensdauer in Ladezyklen: 500 bis 1.000
  • verwendbar bei Umgebungstemperaturen zwischen: -15°C bis 40°C
  • typische Energiedichte: 50 bis 70 Wh/kg (theoretisch ca. 300 Wh/kg)
  • typische Leistungsdichte: 100 – 200 W/kg
  • typische Selbstentladung: ca. 20 – 50 Prozent innerhalb von 1 Monat, bei neuartigen NiMH-Batterien nach Herstellerangaben nur noch 15 Prozent pro Jahr

Anwendungen

NiMH-Batterien finden unter anderem Anwendung in Power Tools wie Akkuschraubern, in Handys, Taschenlampen, Messsystemen sowie Elektrofahrrädern und Elektroautos. Sie bekommen allerdings zunehmend stärkere Konkurrenz durch Lithium-Ionen-Batterien: Während sich der weltweite Markt (in MWh) für Lithium-Ionen-Batterien zwischen dem Jahr 2000 und 2010 etwa verneunfacht hat, stangierte er für NiMH-Batterien.2

Literatur

  1. Johnson Matthey Battery Systems, Hrsg., Technologien – Zellen – Nickel Metal Hydride (NiMH), Johnson Matthey Battery Systems: Gliwice, (2014); Online (jüngster Zugriff: 27.07.2016)
  2. Pillot, C., The worldwide battery market 2011-2025, Batteries 2012, 24. – 26. Oktober 2012, Nizza, Frankreich, Avicienne Energy: Paris (2012)
  • Johnson Matthey Battery Systems, Hrsg., Technologien – Zellen – Nickel Metal Hydride (NiMH), Johnson Matthey Battery Systems: Gliwice, (2014); Online (jüngster Zugriff: 27.07.2016)