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Der Nickel-Cadmium-Akkumulator wurde 1899 von dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt. Der NiCd-Akkumulator gehört zu den alkalischen Batteriesystemen, an denen auch Thomas Alva Edison zu der Zeit parallel gearbeitet hat. Ein wesentlicher Unterschied zu dem bis dahin bekannten Bleiakkumulator ist, dass das Elektrolyt während der Ladung und Entladung unverändert bleibt.
1910 begann die industrielle Fertigung des NiCd-Akkumulators in Schweden. Diese ersten NiCd-Akkumulatoren hatten sogenannte Taschenelektroden, die auch heute noch üblich sind. Ungefähr 1930 wurden in Deutschland sogenannte Sinterelektroden entwickelt. Das Prinzip der gasdichten Zellen wurde 1933 von Dassler veröffentlicht. Serienreife Gasdichte Zellen waren in den 50er Jahren verfügbar. Bis in die 90er Jahre hat sich der NiCd-Akkumulator zu der meistgebräuchlichen wiederaufladbaren Batterie im Endverbraucherbereich entwickelt. Zukünftig werden Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) und Lithium-Systeme mehr Bedeutung bekommen, da sie höhere Energiedichten aufweisen und keine umweltschädlichen Schwermetalle wie Cadmium enthalten.
Eigenschaften:
NiCd-Akkumulatoren haben eine nominale Spannung von 1,2 Volt, die somit 20 % unter den 1,5 Volt normaler Batterien liegt. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da die meisten Geräte auf niedrige Spannungen von 0,9-1,0 Volt entladener Batterien ausgelegt sind. Durch den geringen Innenwiderstand von NiCd-Akkumulatoren können diese hohe Ströme liefern. NiCd-Akkus werden (auch deshalb) vor allem im Modellbau und schnurlosen Telefonen genutzt. Um den Memory-Effekt beim Wiederaufladen zu verhindern, müssen NiCd-Akkus bei einer Restspannung (Entladeschlussspannung) von 0,85 - 0,9V wieder aufgeladen werden.
Eine bei anderen Technologien selten anzutreffende Eigenschaft ist das hervorragende Tieftemperaturverhalten von NiCd-Akkumulatoren. Selbst bei -40 °C besitzt ein Akku mit Faserstrukturplatten-Technik noch über 50 % seiner nominellen Kapazität bei Raumtemperatur.
Aufbau:
Die Elektroden des NiCd-Akkumulators bestehen in geladenem Zustand aus Platten, die am Minuspol mit fein verteiltem Cadmium und am Pluspol mit Nickel(III)-oxidhydroxid beladen sind. Als Elektrolyt wird 20%ige Kaliumhydroxid-Lösung verwendet. Diese Kombination liefert eine Spannung von 1,3 V.
Bei Überladung des Akkumulators wird an der negativen Elektrode Wasserstoff und an der positiven Elektrode Sauerstoff produziert; man sagt der Akku "gast". In geschlossenen, also gasdichten Zellen muss dies wegen der Explosionsgefahr unbedingt verhindert werden, aus diesem Grund wird die negative Cadmiumelektrode überdimensioniert und dient als negative Entladereserve. Die positive Nickelelektrode enthält etwas Cadmiumhydroxid als "antipolare Masse". Bei Überladung mit geringeren Laderaten (ca. 0,1 C), stellt sich so ein Gleichgewicht zwischen Sauerstofffreisetzung und -verbrauch ein, es wird kein Wasserstoff entwickelt.
In gasdichten Faserstruktur-NiCd-Zellen wird der entstehende Sauerstoff an einer katalytisch wirksamen Oberfläche der Faserstruktur-Rekombinationselektrode so schnell rekombinidert, dass im Betrieb sogar ein leichter Unterdruck entsteht.
Probleme:
NiCd-Akkus enthalten das giftige Schwermetall Cadmium und müssen daher über besondere Rücknahmesysteme gesondert entsorgt werden.
Beim Überladen von NiCd-Akkumulatoren können diese beschädigt werden:
Ausgasen durch Überhitzung/Überladung (irreversibel)
Entstehen von γ-NiOOH und dadurch Spannungsabfall (44-50 mV)
Entstehen von intermetallischer Verbindung NiCd und dadurch Spannungsabfall (120 mv)
Entstehen von Kristallen, siehe Memory-Effekt
Auch Falschladung (Verpolen) beschädigt eine Zelle durch Ausgasen an der Anode. Dadurch entsteht auch hochentzündlicher Wasserstoff. Die Falschpolung einer Zelle innerhalb eines Akkupacks tritt bereits bei Tiefentladung auf. Die Zellen sind in Reihe geschaltet. Wenn die schwächste Zelle entladen ist, liegt an ihrer negativen Elektrode der Pluspol, an der positiven Elektrode der Minuspol der Nachbarzellen.
Anwendung
Offene Zellen
Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (Notstromversorgung)
Zentrale Stromversorgungssysteme für Notbeleuchtung
Gasdichte Zellen
Consumerbereich allgemein (Spielzeug, Fotoapparate, Elektrische Werkzeuge, Fernbedienungen usw.)
Notbeleuchtung Einzelbatterieleuchten
Erläuterungen:
Memory-Effekt: Der Begriff Gedächtniseffekt oder englisch Memory-Effekt (engl. memory - Erinnerung) bezeichnet den Kapazitätsverlust, der bei sehr häufiger Teilentladung eines Nickel-Cadmium-Akkus mit gesinterten Elektroden auftritt. Der Akku scheint sich den Energiebedarf zu merken und mit der Zeit statt der ursprünglichen, nur noch die bei den bisherigen Entladevorgängen benötigte Energiemenge zur Verfügung zu stellen. Elektrisch äußert sich der Effekt in einem frühen Spannungsabfall. Dies bedeutet letztlich eine Verringerung der nutzbaren Kapazität des Akkumulators, da Verbraucher eine Mindestspannung benötigen - sinkt die Zellenspannung unter diesen Mindestbedarf ab, wird die Zelle für die Nutzung unbrauchbar, obwohl sie noch weiterhin Strom liefern kann. |
