Die Nickel-Cadmium-Batterie: Funktionsweise und Eigenschaften
Die Nickel-Cadmium-Batterie (Ni-Cd-Batterie) ist eine Art von Sekundärbatterie, die Nickeloxidhydroxid Ni(O)(OH) als Kathode und metallisches Cadmium als Anode verwendet. Die Abkürzung Ni-Cd leitet sich von den chemischen Symbolen für Nickel (Ni) und Cadmium (Cd) ab. Diese Batterie zeichnet sich durch eine geringe innere Impedanz aus, was zu hohen Leistungsfähigkeiten führt, allerdings hat sie im Vergleich zu anderen Batteriesystemen eine geringere Energiespeicherkapazität. Sie verfügt über eine lange Lebensdauer und die Fähigkeit zur schnellen Aufladung, kann jedoch unter Spannungsdepression oder Memory-Effekt leiden. Das bedeutet, dass die maximale Ladespannung abnimmt und somit die Energiekapazität sinkt, wenn sie kontinuierlich nur teilweise entladen wird. Der größte Nachteil ist der Cadmiumgehalt. Cadmium ist äußerst giftig, weshalb die Ni-Cd-Batterie keine Alternative für moderne Batteriesysteme darstellt. Heutzutage werden Nickel-Cadmium-Batterien in kleinen tragbaren Geräten wie Elektrowerkzeugen, Spielzeug, Notbeleuchtung, medizinischen Instrumenten oder industriellen tragbaren Produkten eingesetzt. Sie werden in kleinen Produkten verwendet, da ihre Kosten für Anwendungen mit geringer Leistung günstig sind, jedoch drei- bis viermal teurer als Blei-Säure-Batterien mit derselben Kapazität.
Chemie der Nickel-Cadmium-Batterie
Eine vollständig geladene Ni-Cd-Zelle enthält:
Kathode: eine positiv geladene Elektrodenplatte aus Nickel(III)-oxidhydroxid
Anode: eine negativ geladene Elektrodenplatte aus Cadmium
Separator
Elektrolyt: ein alkalischer Elektrolyt (Kaliumhydroxid).
Ni-Cd-Batterien haben in der Regel ein Metallgehäuse mit einer Dichtungsplatte, die mit einem selbstabdichtenden Sicherheitsventil ausgestattet ist. Die positiven und negativen Elektrodenplatten, durch den Separator voneinander isoliert, sind innerhalb des Gehäuses in einer spiralförmigen Rolle angeordnet. Dieses Design wird als „Jelly-Roll“-Design bezeichnet und ermöglicht es einer Ni-Cd-Zelle, einen viel höheren maximalen Strom als eine gleich große alkalische Zelle zu liefern. Die positive Elektrode im entladenen Zustand besteht aus Nickelhydroxid, das zur Erfüllung der Batterieanforderungen dotiert und modifiziert wurde, sowie Graphit als leitfähiges Medium. Das Nickel wechselt während des Ladens und Entladens zwischen zwei Oxidationszuständen; beim Laden wird das Nickelhydroxid in Nickeloxihydroxid (NiOOH) umgewandelt:
2Ni(OH)2 + 2OH– → 2NiOOH + 2H2O + 2e–
Bei der Entladung laufen die Reaktionen an der Nickeloxid-Elektrode wie folgt ab:
2NiOOH + 2H2O + 2e– → 2Ni(OH)2 + 2OH–
Die negative Elektrode besteht aus Cadmiumhydroxid, Cd(OH)2, das während des Ladens zu metallischem Cadmium reduziert wird. Der Vorgang kehrt sich während des Entladeprozesses um, wobei der Oxidationszustand von Cadmium von 0 auf 2+ wechselt und pro Cadmiumatom, das an der Reaktion teilnimmt, zwei Elektronen freigesetzt werden. Die Reaktion an der Anode während des Ladens:
Cd(OH)2 + 2e– → Cd + 2OH–
Die chemischen Reaktionen an der Cadmiumelektrode während der Entladung sind:
Cd + 2OH– → Cd(OH)2 + 2e–
Die Gesamtreaktion während der Entladung lautet:
2NiOOH + Cd + 2H2O → 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2
Cadmium ist an sich ein ziemlich gefährliches Metall, daher gibt es von Regierungen auf der ganzen Welt und der EU eine Reihe von Vorschriften und Richtlinien für den Umgang damit. Der Elektrolyt dient in Batterien als Ladungsträger für Ionen und besteht bei Ni-Cd-Batterien hauptsächlich aus konzentriertem Kaliumhydroxid, KOH, kann aber auch Zusätze von Natriumhydroxid, NaOH, und Lithiumhydroxid, LiOH, enthalten.
