Die Funktionsweise einer Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH)
Die Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH) stellt eine bedeutende Entwicklung im Bereich der wiederaufladbaren Batterien dar. Kommerziell eingeführt im Jahr 1989, wurde sie zunächst hauptsächlich als Energiequelle in tragbaren Personalcomputern genutzt. Heute findet sie vor allem in Hybridfahrzeugen Anwendung und deckt 10% des Marktes für wiederaufladbare Batterien ab.
Aufbau und chemische Zusammensetzung
Ein typischer NiMH-Akku besteht aus:
- Kathode: eine positive Elektrode aus Nickel(III)-oxidhydroxid
- Anode: eine negative Elektrode aus einem Metallhydrid (eine wasserstoffabsorbierende Legierung)
- Separator
- Elektrolyt: ein alkalischer Elektrolyt (Kaliumhydroxid)
Die Anode in einer NiMH-Zelle ist eine intermetallische Verbindung, oft basierend auf AB5-Intermetallen, einer Mischung aus seltenen Erden (wie Lanthan, Cer, Neodym) und Übergangsmetallen (wie Nickel, Kobalt, Mangan).
Die chemischen Reaktionen
Während der Entladung erfolgt an der Anode die Oxidation von Wasserstoff aus dem Metallhydrid:
\[ \text{MH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{M} + \text{H}_2\text{O} + \text{e}^- \]
Die Protonen reagieren mit den Hydroxidionen der KOH-Lösung, um Wasser zu bilden. Die Kathodenreaktion reduziert Nickel in der Oxidationsstufe +III zu Nickel in der Oxidationsstufe +II:
\[ \text{NiO(OH)} + \text{H}_2\text{O} + \text{e}^- \rightarrow \text{Ni(OH)}_2 + \text{OH}^- \]
Die Gesamtreaktion während der Entladung lautet:
\[ \text{NiO(OH)} + \text{MH} \rightarrow \text{Ni(OH)}_2 + \text{M} \]
Die spezifische Energie einer NiMH-Zelle beträgt etwa 80 Wh/kg, was fast so hoch ist wie bei einer Alkalizelle und mehr als doppelt so hoch wie bei einer NiCd-Batterie.
Vorteile und Herausforderungen
Im Vergleich zu NiCd-Batterien bietet NiMH 40% höhere spezifische Energie, was zu einer etwa doppelt so hohen Kapazität führt. Ein weiterer Vorteil ist das Fehlen von giftigem Cadmium. Zudem sind NiMH-Batterien weniger anfällig für den Spannungsabfall und weisen einen geringeren Memory-Effekt auf.
Dennoch sind NiMH-Batterien empfindlich gegenüber Überladung, Überhitzung, falscher Polarität und Tiefentladung.
Schlussfolgerung
Die Nickel-Metallhydrid-Batterie ist ein fortschrittlicher, umweltfreundlicher Energiespeicher, der in verschiedenen Anwendungen von tragbaren Geräten bis hin zu Hybridfahrzeugen eingesetzt wird. Ihre hohe Energiedichte, geringe Umweltbelastung und gute Ladeeigenschaften machen sie zu einer attraktiven Option in der modernen Batterietechnologie.
