Nickel-Metallhydrid-Akkumulator

NiMH-Akkus reagieren empfindlich auf Überladung, Überhitzung, falsche Polung, Tiefentladung (Stromentnahme bis zur nahezu vollständigen Erschöpfung der Ladekapazität) oder Tiefentladung mit Umpolung, wie sie z. B. bei in Reihe geschalteten Zellen auftreten kann. Die dabei mögliche Abnahme der Kapazität lässt sich auch durch besondere Maßnahmen wie vollständiges Entladen (bis auf 1 V unter Last) oder gar wiederholtes Laden und Entladen nicht wieder rückgängig machen – das hat sogar den negativen Effekt, dass sich die Lebensdauer aufgrund der beschränkten Zahl möglicher Ladezyklen verringert. Zum Erreichen der Solllebensdauer von typischerweise 500 Ladezyklen (entsprechend zehn Jahren bei wöchentlicher Ladung) ist ein intelligentes Ladegerät unentbehrlich.

NiMH-Akkus sind nicht für den Betrieb bei Temperaturen unterhalb von 0 °C geeignet.[2] Bereits in der Nähe des Gefrierpunktes weisen sie durch die Verringerung der Beweglichkeit der Elektronen einen deutlich höheren Innenwiderstand auf, durch den die Spannung unter Last einbricht und nur geringe Ströme (Leistungen) entnehmbar sind. Unterhalb von −10 °C bricht die Leistungsfähigkeit ein. Bei Temperaturen über 50 °C sind sie nicht mehr ladbar.[3]

Anstelle des besonders bei älteren NiCd-Akkus relevanten Memory-Effektes kommt es bei NiMH-Akkus nach häufigen Teilentladungen zum Batterieträgheitseffekt, einem Abfall der erzielbaren Entladespannung, der aber weitgehend reversibel ist.[4]

Bei kleinen Bauformen beherrschte zunächst der Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd-Akku) den Markt, der als erster die nur einmal nutzbare Batterie ersetzen konnte. Nachdem dieser von NiMH-Akku verdrängt wurde, hat der leistungsfähigere und inzwischen preislich akzeptable Lithium-Ionen-Akkumulator die Marktführerrolle übernommen. NiMH-Akkus mit der schwierigeren Ladeschlusserkennung spielen bei Neuprodukten abnehmend nur noch bei geringem Energiebedarf im Bereich von Micro (AAA) und Mignon (AA) Zellen eine Rolle. Die früher verbreiteten Formate Baby (C) und Mono (D) sind fast vollständig vom Markt verschwunden.

NiMH-Akkus bieten im Vergleich zu NiCd-Akkus bei gleicher Spannung ungefähr die dreifache (volumetrische) Energiedichte und verdrängten sie weitgehend. In bestimmten Anwendungen und Bauformen wie den Mignonzellen sind diese mit einem EU-weiten Handelsverbot belegt. NiMH-Akkus kommen ohne das giftige Schwermetall Cadmium aus.

NiMH-Akkus haben aber auch Nachteile gegenüber NiCd-Akkus: geringere Zyklenfestigkeit, geringerer maximaler Lade- und Entladestrom, kleinerer Temperaturbereich und geringere Robustheit gegen minderwertige Ladeverfahren oder Tiefentladung sowie schwierigere Ladeschlusserkennung. Jedoch sind sie robuster als Lithium-Ionen-Kraftzellen.[5]

Aufbau eines NiMH-Akkus

Das Bild rechts zeigt die Komponenten eines geöffneten NiMH-Akkus. Die Lochfolie (links) dient als Träger für die Metall-Legierung bzw. das Metallhydrid-Pulver, das die negative Elektrode bildet. Hierfür wird zum Beispiel eine Legierung mit der Verhältnisformel La_0.8Nd_0.2Ni_2.5Co_2.4Si_0.1 verwendet. Der Separator (Mitte) nimmt den Elektrolyten, eine 20-prozentige Kalilauge mit einem pH-Wert von 14, auf und verhindert den unmittelbaren Kontakt zur positiven Elektrode. Diese besteht aus einem Blech aus Nickel(II)-hydroxid und schwarzem Nickeloxidhydrat (Nickel(III)-hydroxid) (rechts).

Die Folien werden mit außenliegender negativer Elektrode aufgewickelt und mit einem Metallzylinder ummantelt (aufgesägt, unten links). Das Gehäuse ist elektrisch leitend mit der negativen Elektrode verbunden und bildet den Minuspol des Akkus. Eine elektrische Zuleitung vom Nickeloxid-Blech (rechts, blauisolierter Metallstreifen) führt zum Kopf der Zelle und bildet den Pluspol.

Beim Ladevorgang werden am Minuspol H⁺-Ionen (Protonen) zu Wasserstoff reduziert, der reversibel von der Metalllegierung gebunden und als Metallhydrid gespeichert wird. Am Pluspol wird beim Ladevorgang Nickel der Oxidationsstufe +II (in Form von Nickel(II)-hydroxid) zu Nickel der Oxidationsstufe +III (zu Nickel(III)-oxidhydrat NiO(OH)) oxidiert.

Beim Entladen wird der im Metallhydrid (M⁺H⁻) gebundene Wasserstoff zu einem Proton (H⁺) oxidiert und es entsteht ein Metall der Oxidationsstufe 0 (M⁰). Die entstehenden Protonen reagieren mit den OH⁻-Ionen (Hydroxidionen) der Kalilauge zu Wasser. Das Redoxpotential bei pH 14 beträgt ca. −0,83 V⁠⁽¹⁾. Durch die ebenfalls bei der Reaktion entstehenden freien Elektronen wird dieser Pol zum Minuspol. Am anderen Pol wird Nickel der Oxidationsstufe +III (NiO(OH) oder Ni₂O₃·H₂O) zu Nickel der Oxidationsstufe +II (Ni(OH)₂) reduziert. Dabei werden freie Elektronen gebunden, so dass dieser Pol zum Plus-Pol wird. Das Redoxpotenzial beträgt ca. +0,49 V⁠⁽²⁾. Die Gesamtspannung der Summen-Reaktion beträgt 1,32 V⁠⁽³⁾.

(1)  Oxidation:	${\displaystyle \mathrm {{\overset {+1}{M}}H+OH^{-}\longrightarrow {\overset {0}{M}}+H_{2}O+e^{-}} }$	−0,83 V
(2)  Reduktion:	${\displaystyle \mathrm {{\overset {+3}{Ni}}O(OH)+H_{2}O+e^{-}\longrightarrow {\overset {+2}{Ni}}(OH)_{2}+OH^{-}} }$	+0,49 V
(3)  Redoxreaktion:	${\displaystyle \mathrm {{\overset {+1}{M}}H+{\overset {+3}{Ni}}O(OH)\longrightarrow {\overset {0}{M}}+{\overset {+2}{Ni}}(OH)_{2}} }$	Summe: 1,32 V	Leerlaufspannung

Damit gegen Ende der Entladung nicht das Metall statt des Wasserstoffs oxidiert, verbaut man eine negative Elektrode, die viel größer ist als die positive Elektrode. Letztere bestimmt damit die Kapazität des Akkumulators: Das Nickel(III)-oxidhydroxid an der kleineren positiven Elektrode ist erschöpft, bevor der Wasserstoff an der größeren negativen Elektrode vollständig aufgebraucht ist.

Herkömmliche NiMH-Akkus haben eine Selbstentladerate von 5 bis 10 Prozent am ersten Tag und stabilisieren sich dann bei 0,5 bis 1 Prozent pro Tag bei Raumtemperatur. Diese hohe Selbstentladung verhindert den Einsatz solcher Akkus in Geräten, bei denen eine Batterielebensdauer von mehreren Monaten oder Jahren gewünscht ist, wie zum Beispiel Uhren, Fernbedienungen oder gar sicherheitsrelevanten Geräten wie Feuermeldern oder Taschenlampen für den Notfall. Die Umgebungstemperatur hat einen starken Einfluss auf die Höhe der Entladerate, niedrigere Umgebungstemperaturen haben eine niedrigere Selbstentladungsrate, höhere Umgebungstemperaturen eine höhere Selbstentladungsrate zur Folge. Ebenso hat die Kapazität einen Einfluss auf die Selbstentladungsrate: Höchstkapazitative Zellen (> 2700 mAh für Zellen in AA-Größe) haben die höchste Selbstentladungsrate.

2006 wurde ein neuer Typ von NiMH-Akkus vorgestellt, NiMH mit geringer Selbstentladung, die durch Verwendung neuer Separatoren eine deutlich niedrigere Selbstentladungsrate vorweisen. Sie können vorgeladen verkauft werden und müssen nicht wie herkömmliche Akkus vor dem ersten Gebrauch geladen werden. Ihre Selbstentladungsrate soll bei Raumtemperaturlagerung nur 15 Prozent pro Jahr betragen. Sie können in herkömmlichen Ladegeräten geladen werden und haben ähnliche Ladezyklen (500 bis 1000) wie bisherige NiMH-Akkus. Sanyo war als erster Hersteller mit solchen Akkus (Eneloop) auf dem Markt, bald darauf folgten andere.

Der Batterieträgheitseffekt (oder englisch lazy battery effect) bezeichnet eine vor allem NiMH-Akkus betreffende Leistungsminderung und einen geringen Abfall um 50 mV bis 100 mV bei der erzielbaren Entladespannung. Diese fällt nicht (wie beim vor allem NiCd-Akkus betreffenden Memory-Effekt) weit vor Erreichen der Nennlademenge plötzlich stark ab, sondern bleibt über den gesamten Entladevorgang etwas geringer als bei einer gesunden Zelle. Die entnehmbare Ladungsmenge (abgegebene Stromstärke mal Zeit) ist jedoch fast gleich.

Dazu führen verschiedene Ursachen wie Dauerladung oder Lagerung, weniger eine ständige Teilentladung. Beim praktischen Einsatz macht der Effekt nur dann Probleme, wenn von Geräten höhere Mindestspannungen benötigt werden oder wenn z. B. Digitalkameras recht empfindlich auf eine zu geringe Spannung reagieren, den Akku zu früh als „entladen“ annehmen und sich dann abschalten, um vermeintlich Tiefentladung zu vermeiden.

Eine schwedische Forschergruppe entdeckte 2018, dass sie den Alterungsprozess von NiMH-Akkus durch Zugabe von Sauerstoff fast vollständig verhindern können: Er stellt das verlorene Elektrodengleichgewicht wieder her und ersetzt den verlorenen Elektrolyten bei diesen Akkus problemlos, da sich alle Zellen den gleichen Gasraum teilen.[6]

Der Batterieträgheitseffekt ist reversibel: Er kann durch etwa fünf vollständige Lade- und Entladezyklen mit einem geeigneten Ladegerät wieder beseitigt werden. (Zunächst Voll-Entladung mit Strom von ca. 1/10 C/h bis auf ca. 0,9 V unter Last. Für die anschließende Voll-Ladung werden höhere Ladeströme von 0,5 bis 1 C/h empfohlen.)