Eigenschaften von Nickel-Metallhydrid-Batterien | Spannung, Kapazität und Selbstentladung

Eigenschaften von Nickel-Metallhydrid-Batterien

Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) sind wiederaufladbare Batterien, die 1989 auf den Markt kamen und insbesondere in tragbaren Personalcomputern und später in Hybridfahrzeugen Anwendung fanden. Heute machen sie 10% des Marktes für wiederaufladbare Batterien aus. Ihr positiver Elektrode besteht aus Nickelhydroxid, während die negative Elektrode aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung gefertigt ist.

Vergleich mit anderen Batterietypen

Im Vergleich zu Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) bietet NiMH 40% höhere spezifische Energie, was zu einer etwa doppelt so hohen Kapazität führt. Ein wesentlicher Vorteil von NiMH-Batterien ist das Fehlen des toxischen Cadmiums. Auch sind sie weniger anfällig für Spannungsdepression und zeigen einen deutlich geringeren Memory-Effekt als NiCd-Batterien. Im Vergleich zu Alkalibatterien weisen NiMH-Batterien einen viel niedrigeren Innenwiderstand auf, was es ihnen ermöglicht, unter hoher Last eine höhere Spannung aufrechtzuerhalten.

Spezifische Eigenschaften und Anwendungen

NiMH-Batterien zeichnen sich durch eine hohe spezifische Energie (bis zu 100Wh/kg) und Energiedichte aus, die doppelt so hoch ist wie die von Blei-Säure-Batterien und 40% höher als die von NiCd-Batterien. Sie sind kostengünstig, recycelbar und finden breite Anwendung in Produkten wie AA- oder AAA-Zellen, Kameras, älteren Mobiltelefonen, Elektrorasierern, medizinischen Instrumenten und Geräten sowie in Hochleistungsanwendungen. Ein Nachteil gegenüber Blei-Säure-Batterien ist jedoch der höhere Preis pro kWh.

Ladeprozess und Selbstentladung

NiMH-Batterien werden durch das Anlegen eines elektrischen Stroms aufgeladen, der die chemischen Reaktionen während der Entladung umkehrt. Die Elektronik in den Ladegeräten und Steuerungsschaltungen für NiMH-Batterien ist einfach und kostengünstig. Ein wichtiger Punkt ist jedoch die hohe Selbstentladung der NiMH-Batterie, die innerhalb der ersten 24 Stunden bis zu 20 % und danach monatlich 10 % ihrer Ladung verlieren kann. Die Nennspannung pro Zelle beträgt 1,2 V, mit einer typischen Entladeschlussspannung von 1 V.

Wichtige Parameter von NiMH-Batterien

• Zellspannung: Die übliche Leerlaufspannung für NiMH-Batterien (z.B. AAA und AA) beträgt 1,2 V.
• Abschaltspannung: Die Mindestspannung, bei der eine Batterie als „leer“ gilt, ist normalerweise 1,0 V pro Zelle.
• Kapazität: Die koulometrische Kapazität gibt die gesamten verfügbaren Amperestunden an, wenn die Batterie mit einem bestimmten Entladestrom von 100% SOC (State of Charge) bis zur Abschaltspannung entladen wird. NiMH AA-Batterien haben eine Nennspannung von 1,2 Volt und eine durchschnittliche Kapazität von 2000-2700 mAh.
• C-Rate der Batterie: Die C-Rate drückt aus, wie schnell eine Batterie im Verhältnis zu ihrer maximalen Kapazität entladen oder geladen wird. Eine 1C-Rate bedeutet, dass der Entladestrom die gesamte Batterie in 1 Stunde entlädt. NiMH-Batterien mit hoher C-Rate können mit 1C geladen werden und sind in etwas über einer Stunde vollständig aufgeladen.
• Selbstentladung: Batterien entladen sich allmählich selbst, auch wenn sie nicht angeschlossen sind und keinen Strom liefern. Dies ist auf nicht stromerzeugende „Seiten“-chemische Reaktionen innerhalb der Zelle zurückzuführen, auch wenn keine Last anliegt.
• Abbau: Bei jedem Lade-Entlade-Zyklus kommt es zu einem gewissen Abbau der wiederaufladbaren Batterien. Der typische Zykluslebensdauer für NiMH-Batterien liegt bei 700-1.000 Ladezyklen.
• Tiefe der Entladung: Die Entladungstiefe gibt an, wie viel Energie aus einer Batterie entnommen wurde, und wird als Prozentsatz der vollen Kapazität ausgedrückt. Zum Beispiel hat eine 100 Ah Batterie, von der 40 Ah entnommen wurden, eine Entladungstiefe von 40%.