Nickel-Metallhydrid-Batterie | NiMH-Akku | Beschreibung und Anwendungen

Nickel-Metallhydrid-Batterie: Eine Übersicht

Grundlagen der Nickel-Metallhydrid-Batterie

Die Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH) ist eine wiederaufladbare Batterie, die eine positive Elektrode aus Nickelhydroxid und eine negative Elektrode aus einer Metallhydridlegierung, die Wasserstoff aufnehmen kann, enthält. NiMH-Batterien bieten gegenüber Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) eine um 40 Prozent höhere spezifische Energie, was zu einer etwa doppelt so hohen Kapazität führt. Im Vergleich zu Alkalibatterien ist der Innenwiderstand von NiMH-Batterien wesentlich geringer, was den Vorteil bietet, dass eine höhere Spannung auch unter hoher Last aufrechterhalten werden kann. Die Gesamtreaktion während der Entladung ist: NiO(OH) + MH → Ni(OH)2 + M.

Entwicklung und Verbreitung

NiMH-Batterien wurden erstmals 1989 kommerziell eingeführt und hauptsächlich als Stromquelle in tragbaren Personalcomputern verwendet. Sie sind heute sehr beliebt in Hybridfahrzeugen und machen 10% des Gesamtmarktes für wiederaufladbare Batterien aus. Ein großer Vorteil ist das Fehlen des giftigen Cadmiums. Der Memory-Effekt der NiMH-Batterien ist viel geringer als bei Nickel-Cadmium-Batterien.

Spezifische Eigenschaften und Anwendungen

Mit einer hohen spezifischen Energie (bis zu 100Wh/kg) und Energiedichte (doppelt so hoch wie Blei-Säure und 40% mehr als Nickel-Cadmium), hoher Lebensdauer, geringen Kosten und Recycelbarkeit sind NiMH-Batterien in einer Vielzahl von Anwendungen verbreitet, von AA- oder AAA-Zellen bis hin zu Elektrorasierern, medizinischen Instrumenten und hochleistungsfähigen statischen Anwendungen. Trotz ihrer Vorteile sind sie teurer pro kWh im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien.

Ladung und Entladung

NiMH-Batterien werden durch Anlegen eines elektrischen Stroms aufgeladen, was die chemischen Reaktionen umkehrt, die während der Entladung/Nutzung stattfinden. Die Elektronik in Ladegeräten und Steuerungsschaltungen für NiMHs ist einfach und kostengünstig, und die Batterie gilt als sicher. NiMH-Batterien haben jedoch eine hohe Selbstentladung und können innerhalb der ersten 24 Stunden bis zu 20 % ihrer Ladung verlieren und danach 10 % pro Monat.

Chemie und Funktionsweise

Eine typische NiMH-Zelle enthält eine Kathode aus Nickel(III)-oxid-Hydroxid, eine Anode aus einer Metallhydridlegierung, einen Separator und einen Elektrolyten aus einer alkalischen Lösung (Kaliumhydroxid). Der Metallanteil M in der negativen Elektrode einer NiMH-Zelle ist eine intermetallische Verbindung, häufig basierend auf AB5-Intermetallverbindungen. Die Schichtstruktur einer NiMH-Rundzelle kann in der Abbildung gesehen werden. Während der Entladung wird der in der Metallhydrid MH gebundene Wasserstoff zu einem Proton oxidiert, und es entsteht das Metall im Oxidationszustand 0: MH + OH → M + H2O + e.

Vorteile und Nachteile von Nickel-Metallhydrid-Batterien

Zu den Vorteilen zählen hohe Stromabgabe, schnelle Wiederaufladefähigkeit und geringere Kosten im Vergleich zu Lithium-basierten Batteriesystemen. Nachteile sind der höhere Preis, hohe Selbstentladung und eine geringere spezifische Energie und Leistung im Vergleich zu Lithium-basierten Batteriesystemen.

Charakteristika von Nickel-Metallhydrid-Batterien

Zu den wichtigen Parametern gehören Zellspannung, Abschaltspannung, Kapazität, C-Rate der Batterie, Selbstentladung und Abbaugrad. NiMH-Batterien haben typischerweise eine Zellspannung von 1,2V und eine Kapazität von 2000-2700 mAh. Sie unterliegen einem gewissen Grad an Abbau bei jedem Lade-Entlade-Zyklus.

Warum sind alkalische Batterien 1,5V und wiederaufladbare 1,2V?

Primärzellen fallen im Gebrauch von 1,5V auf 1,2V und weiter bis 1,0V, wo das Gerät nicht mehr funktioniert. Sekundärzellen arbeiten gleichmäßiger und bleiben bei etwa 1,2V, bis sie erschöpft sind und dann sehr schnell auf unter 1,0V fallen. Da elektronische Geräte in der Regel für Zellspannungen von 1,0 bis 1,5V ausgelegt sind, funktionieren Alkalibatterien und wiederaufladbare Batterien ähnlich.

Andere Batterietypen

Zusätzlich zu NiMH-Batterien gibt es verschiedene andere Batterietypen, einschließlich Primär- und Sekundärzellen mit unterschiedlichen Chemien und Anwendungen sowie unterschiedlichen Batteriespannungen.

Häufig gestellte Fragen

Die zwei grundlegenden Batterietypen sind Primär- (Einweg) und Sekundär- (wiederaufladbare) Batterien. NiMH-Batterien sind gängige wiederaufladbare Batterien im AA- oder AAA-Format und werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet.

Nickel Metal Hydride Battery

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