Akku-Übersicht

 

NiCd - Nickel Cadmium Akkus

NiCd Akkus sind die altbewährten Arbeitspferde.  Ihre positive Sinterelektrode besteht aus Nickel-Hydroxid mit Graphitzusatz sowie etwas Cadmiumhydroxid und die negative Elektrodeposit-Elektrode überwiegend aus Cadmium und Graphitpartikel. Bei der industriellen Fertigung  werden diese Stoffe gepresst und in einem feinmaschigen Nickelnetz verankert. Nicht gerade umweltverträgliche Materialien. Aus diesem Grund müssen sie auch richtig entsorgt werden. Aber keine Angst, wenn man sie dem Recycling zuführt, können diese Stoffe ebenfalls umweltbewusst verarbeitet werden. Die Elektroden sind meist spiralförmig aufgewickelt und befinden sich in einem Stahlgehäuse mit Überdruckventil. Der Elektrolyt ist Kalilauge.

NiCd Akkus haben den Vorteil, dass sie schlampige Behandlung wesentlich robuster wegstecken als alle anderen Zellen. Das heißt nicht, dass man sie nicht zerstören könnte, es geht nur schwerer als bei den anderen. Außerdem sind sie (je nach Bauform) äußerst Hochstromfest.

Dafür muss man den unangenehmen Memoryeffekt in Kauf nehmen. "Schnell mal nachladen" und dann benutzen gehen, so funktioniert es bei NiCd Akkus leider nicht. Der Memoryeffekt kann einen NiCd Akku sehr schnell unbrauchbar machen. Wenn man diesen Akku mit niedrigen Strömen dauerlädt (hängt dauernd am Ladegerät) oder wenn man einen halbleeren NiCd Akku nachlädt, so lagern sich auf der negativen Elektrode chemische Verbindungen ab, welche die nutzbare Kapazität verringern. Macht man das öfters, so lagern sich immer mehr Verbindungen ab und die Kapazität nimmt rapide ab. Das kann nach mehreren Ladungen soweit gehen, dass der volle Akku nur noch für sehr kurze Zeit Strom liefern kann. Der Memoryeffekt ist eine unangenehme Eigenschaft der Cadmium Elektrode und tritt daher nur bei NiCd Akkus auf.

Zum Glück kann man einen, auf diese Weise lahmgelegten, Akku wieder reparieren. Dazu muss er tiefentladen und wieder vollgeladen werden. Die meisten Ladegeräte haben zu diesem Zweck eine automatische Refresh-Funktion. Auch bei NiCd Akkus gibt es viele Billiglader in Supermärkten zu kaufen. Es sind das sogenannte "Ladegeräte" in welche die Zellen eingelegt werden. Diese werden dann mit geringsten Strömen über 1 oder 2 Tage geladen. Bevor man ein solches Ladegerät benutzt, muss der Akku auf jeden Fall völlig leer sein, sonst wäre ein Memoryeffekt vorprogrammiert.

Die Ladeschlussspannung bei NiCd Akkus ist ca. 1,5 Volt. Die Entladeschlussspannung ist 0,85 Volt. Eigentlich könnte man NiCd Akkus auch tiefer entladen. Allerdings werden Akkuzellen meist zu einem Akkupack zusammengefasst. Entlädt man diesen Akkupack zu tief, so können die stärkeren Zellen  die schwächeren Umpolen, was das schnelle Aus für diese Zellen wäre. Wenn man nur bis 0,85 Volt entlädt, geht man dieses Risiko nicht ein.

Hier einige typische Daten für NiCd Zellen:

unbelastete Leerlaufspannung: 1,29 Volt
Ladeschlussspannung: 1,5 Volt
Entladeschlussspannung: 0,85 Volt (mit Reserve wegen Akkupacks, siehe oben)
Innenwiderstand: 5mOhm (abhängig von Bauform der Elektroden, z.B. Sinterelektroden usw.)
Wirkungsgrad: ca. 70-80 % (mit Reflexladern bis zu 90%)
Arbeitstemperaturbereich: -10 Grad bis max. 65 Grad C
Belastbarkeit: über 100 A bei modernen Sinterzellen (RC2000 u.ä. für Antriebsakkus), mehrere 10A bei Normalzellen für Empfängerbatterien.
Was kann man tun, um eine NiCd Zelle in die ewigen Jagdgründe zu befördern:

Tiefentladen eines Akkupacks: Dadurch werden die schwächsten Zellen umgepolt und dauerhaft zerstört
Nachladen ohne Entladung: Die Zelle verliert relativ schnell ihre Kapazität durch den Memoryeffekt. Man kann das durch mehrmaliges Tiefentladen (einzelner Zellen !) und Nachladen wieder reparieren.
Überladen mit hohen Strömen: Die Zelle wird durch Gasung zerstört, das Sicherheitsventil kann ansprechen
Lange Lagerung von vollgeladenen NiCd Akkus: Durch chemische Prozesse "frisst" sich der Akku ganz langsam selbst auf.
Wie behandelt man nun einen NiCd Akku richtig, damit er lange Zeit mit voller Kapazität seinen Dienst versieht ?

Neue Akkus sind fast leer. Die ersten 6 Lade/Entladezyklen sollten sorgfältig durchgeführt werden. Erst danach hat er seine volle Kapazität
Laden bis zu einer maximalen Temperatur von 35 Grad. Danach muss die Ladung unbedingt beendet werden.
Vor dem Laden: Entladen bis zur Entladeschlussspannung zur Vermeidung des Memoryeffekts
Lagerung von entladenen Akkus und bei tiefen Temperaturen (Keller; den Kühlschrank empfehle ich wegen der giftigen Inhaltsstoffe der Akkus weniger)
bei guter Behandlung kann es ein NiCd Akkupack leicht bis zu 1000 Lade-/Entladezyklen bringen.

Nach ein paar Anmerkungen zu Ladegeräten:

Beim Laden eines Akkus stellt sich die große Frage: wann ist er eigentlich voll ?
Das exakteste Kriterium ist die Temperatur. Ein voller Akku erwärmt sich bei Überladung. Wenn ein NiCd Akku eine Temperatur von ca. 35 Grad erreicht hat, so ist er wirklich voll. Die Messung der Temperatur ist leider etwas umständlich, daher versuchen moderne Ladegeräte den Spannungsverlauf zu beobachten und daraus auf den Voll-Zustand zu schließen. Diese Methode heißt Delta-Peak-Abschaltung und funktioniert in der Regel recht zuverlässig.

Es sind sich folgende Ladegeräte am Markt verfügbar:

Langsame Normallader (meist in Supermärkten zukaufen): Einziger Vorteil ist die geringe Strombelastung. Nachteilig ist die Dauerüberladung durch geringe Ströme und das entstehen eines Memoryeffekts.
Zeitgesteuerte Ent-/Ladegeräte:  können den Memoryeffekt beseitigen. Ungenaue Zeitabschaltung führt aber zu häufiger Überladung der Akkuzellen.
Temperaturgesteuerte Ent-/Ladegeräte:  sehr gutes Ladeprinzip, wegen des Temperaturfühlers leider umständlich zu handhaben.
Ladeschlussspannungsgesteuerte Ent-/Ladegeräte: wegen sehr unterschiedlicher Akkutypen nur ein ungenaues Abschaltkriterium, daher oftmalige Überladung möglich
Delta-Peak-gesteuerte Ent-/Ladegeräte: modernes sehr zuverlässiges Prinzip für das schnelle Laden. Kann bei Laden mit sehr geringen Strömen versagen, was zur Überladung führt.
Reflex-Ladegeräte: modernes Prinzip, welches die chemischen Vorgänge in der Zelle positiv beeinflusst. Zusammen mit einer Delta-Peak Abschaltung empfehlenswert. Kann einen Memoryeffekt besonders gut entfernen.
Moderne Computerlader sind inzwischen schon recht preisgünstig zu bekommen. Schnellladung mit Delta-Peak gesteuerter Abschaltung hat sich zum Standard im Modellbau durchgesetzt weil damit eine schonende Schnellladung möglich ist. Akku-Foltergeräte aus dem Supermarkt oder Billiggeräte von Elektronikversendern sollte man lieber der Entsorgung zuführen.

 

NiMH - Nickel Metall Hydrid Akkus

NiMH Zellen haben einen etwas anderen Aufbau als NiCd Zellen und funktionieren grundsätzlich anders. Die bei NiCd Akkus giftige Cadmium Elektrode wurde durch eine Metalllegierung ersetzt, welche Wasserstoff speichern kann. Diese Speicherung erfolgt drucklos, wodurch die Gefahr eines Überdrucks relativ gering ist. Durch die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Nickel wird der Strom gespeichert.

NiMH Zellen haben eine relativ gute Energiedichte, d.h. bei gleichem Gewicht haben sie mehr nutzbare Kapazität als
NiCd Zellen. Ein weiterer Vorteil ist der fast nicht vorhandene Memoryeffekt. Es genügt ein sehr seltenes Entladen
um immer frische und volle Zellen zu haben. "Schnell mal nachladen und weiter benutzen geht", das ist bei NiMH Zellen
möglich. Wie alles auf der Welt haben leider auch NiMH Zellen ihre Tücken und Nachteile. Das gravierendste Problem
ist die hohe Empfindlichkeit gegen Überladung. Selbst kurzzeitige Überladung kann die Zellen nachhaltig schädigen.
Dieses Problem wird noch dadurch verstärkt, dass das beliebte Delta-Peak Prinzip zur Abschaltung von Ladegeräten bei
NiMH Zellen nicht zuverlässig funktioniert. Es bleibt nur die temperaturgesteuerte Abschaltung, was aber kaum gemacht wird.
Weiters haben NiMH Zellen eine relativ hohe Selbstentladung, was die Lagerfähigkeit verschlechtert. NiMH Akkus müssen
(im Gegensatz zu NiCD Zellen) immer randvoll geladen gelagert werden. Da sie diese Ladung allerdings verlieren, müssen
sie in regelmäßigen Abständen geprüft und nachgeladen werden. Ein weiterer Nachteil ist der höhere Innenwiderstand, weshalb
sich NiMH Akkus für grosse Ströme nur bedingt eignen.

Wie kann man nun eine NiMH Zelle am sichersten zerstören :

Lagerung von leeren NiMH Zellen: Die Zelle zerstört sich chemisch selbst
Überladen: Selbst geringe Überladung kann die Zelle schädigen
Tiefentladen eines Akkupacks: Dadurch werden die schwächsten Zellen umgepolt und dauerhaft zerstört
mit zu hohen Strömen entladen: Die Zellen werden durch große Hitzeentwicklung zerstört
So muss man NiMH Zellen behandeln um lange Zeit Freude an ihnen zu haben:

Genaues Beobachten des Ladevorgangs bei Automatikladern mit Delta-Peak Abschaltung. (Entladen von Akkupacks nur bis zur minimalen Entladeschlussspannung von 0,85 Volt
Bei hohen Entladeströmen die Temperatur beobachten
vor (auch kurzfristiger) Lagerung die Akkus immer Volladen.
Geladen werden NiMH Akkus nach dem gleichem Prinzip wie NiCd Akkus.

Da ich davon ausgehe, dass niemand seine teuren NiMH Akkus einem Supermarktlader anvertrauen wird, kommen eigentlich nur moderne Computerlader mit Delta-Peak Abschaltung in Frage. So haben z.B. die Ladegeräte von Fa. Schulze eine Umschaltmöglichkeit von NiCd auf NiMH Akkus. Leider ist der Spannungsverlauf bei NiMH Akkus so flach, dass die Delta-Peak Erkennung oft zum Glücksspiel wird. Man sollte daher neue Akkus während der ersten Ladevorgänge immer genau beobachten und die Temperatur fühlen. Erwärmt sich der Akku auf über 40 Grad (beginnt sich unangenehm anzufühlen) ohne dass die Delta-Peak Abschaltung anspricht, so muss der Ladevorgang manuell unterbrochen werden.Funktioniert die Delta-Peak Abschaltung einige Male zuverlässig, so kann man bei diesem Akkulader normalerweise darauf vertrauen. Andere  müssen aber wiederum Anfangs genau beobachtet werden.

Andererseits kann die Delta-Peak Abschaltung aber auch zu früh abschalten, lange bevor der Akku voll ist. In diesem Fall kann eine Umschaltung des Ladegerätes auf die NiCd Ladung Abhilfe bringen. Auch hier muss der Ladevorgang und die Akkutemperatur unbedingt beobachtet werden.

Ein häufiger Streitpunkt ist der Memoryeffekt. NiMH Zellen haben keinen Memoryeffekt, sagen die Hersteller und können daher jederzeit problemlos nachgeladen werden. In der Praxis kann man nach einer gewissen Betriebszeit aber schon eine Art Memoryeffekt feststellen, wenngleich auch bei weitem nicht so stark wie bei NiCd Akkus. Daher empfiehlt sich auch bei NiMH Akkus diese alle paar Monate zu Entladen und wieder neu Aufzuladen.

 

Lithium Ionen Akkus 

Über Lithium Ionen Zellen sind noch keine wirklich zufriedenstellenden Informationen zu finden. Das mag daran liegen, dass viele Hersteller immer noch mit verschiedensten Materialen experimentieren.

Sie benutzen eine Kohlenstoffelektrode, welche in einem Elektrolyt aus Lithium Salz eingebettet ist. Die Kohlenstoffelektrode kann Lithium-Ionen aufnehmen als auch abgeben und bildet damit den Stromspeicher.

Das interessante ist die enorme Energiedichte, die dreimal so groß ist wie bei vergleichbaren NiCd Akkus. Wie schön wäre doch ein E-Heli, der eine halbe Stunde ununterbrochen fliegen kann ! Zudem kennen Li-Ion Zellen keinerlei Memoryeffekt, weshalb sie jederzeit nachgeladen werden können.

So schön diese Zellen auch sind, die Nachteile sind beträchtlich. Der Ladevorgang muss äußerst präzise ablaufen, sonst beschädigt man die Zelle permanent. Außerdem ist die Strombelastbarkeit mit wenigen Ampere nicht gerade hoch.Dazu kommt noch der ziemlich hohe Preis. Eine weitere eventuelle Einschränkung ist die Zellenspannung von 3,6 Volt. Damit ist eine Zelle zuwenig für einen Empfängerakku und zwei Zellen sind zuviel.

Der Temperaturbereich ist auf ca. 5 bis 30 Grad C eingeschränkt.

Es gibt vielfältige Möglichkeiten um Li-Ion Zellen den Garaus zu machen:

Laden mit zu hoher Spannung: Die maximale Ladespannung ist ca. 4,1 Volt pro Zelle. Geht man höher ist die Zelle sofort defekt.
Überladen: auch das zerstört Li-Ion Zellen nachhaltig. Achtung ! Diese Zellen können explodieren. Sanyo hat aus diesem Grund bereits eine Fertigungscharge zurückrufen.
Laden mit zu hohem Strom: Eine brutale Schnellladung wie bei NiCd Akkus gibt es hier nicht.
Betrieb bei zu niedrigen oder zu hohen Temperaturen: Bei niedrigen Temperaturen gibt die Zelle keinen Strom mehr ab, bei zu hohen wird sie zerstört.
Tiefentladung: führt zur sofortigen Zerstörung
Geladen werden Li-Ion Zellen ähnlich wie Bleiakkus, nämlich mit Konstantspannung von ca. 4,1 Volt. Diese Spannung darf keinesfalls Überschritten werden. Obwohl hartgesottene ihre Li-Ion Zellen an einem Labornetzgerät laden, ist für die meisten doch die Benutzung eines guten Computerladers mit Li-Ion Programm empfehlenswert. Auf jeden Fall müssen während der Ladung von Akkupacks die Einzelzellen auch einzeln überwacht werden. Keine Zelle darf eine höhere Spannung als 4,1 Volt bekommen. Aus diesem Grund sind in Camcorder Packs bereits elektronische Komponenten zur korrekten Ladung integriert.

Inzwischen werden von namhaften Firmem auch Lithium-Metall Akkus angeboten. Diese haben eine Spannung von nur 3 Volt, sind kurzzeitig bis zu 10A belastbar. Diese Zellen müssen im Gegensatz zu den Li-Ion Zellen mit konstantem Strom bis zu einer Abschaltspannung von 3,4 Volt geladen werden.

Bleibatterien (Bleigel)
Bleiakkus haben das Beste Preis/Leistungsverhältnis bezogen auf die Ladekapazität. Man kann enorme Kapazitäten speichern, siehe Autobatterien. Ihr Nachteil ist das sehr hohe Gewicht, was den ausschließlichen Einsatz am Boden zulässt. Meist werden in Startboxen 12 Volt Akkus verwendet die Starter und Glühkerzenheizung versorgen. Dazu sind Kapazitäten um die 5 bis 7 Ah üblich.

Die Lebensdauer von Bleiakkus hat einen schlechten Ruf, was hauptsächlich durch die weite Verbreitung von superbilligen sogenannten "Ladegeräten" verursacht wird. In jedem Supermarkt bekommt man für ein paar Mark Ladegeräte für Autobatterien. Wer mit so einem Gerät seine armen Bleiakkus foltert, braucht sich über geringe Lebensdauer nicht zu wundern.

Wie bei allen anderen Akkus, finden auch bei Bleiakkus chemische Umwandlungsprozesse statt. Nur wenn diese vernünftig ablaufen können, arbeitet ein Bleiakku mit seiner vollen Kapazität und hat eine lange Lebensdauer.

Ein Bleiakku hat eine Ruhespannung von ca. 2,1 Volt pro vollgeladener Zelle, und er hat eine Ladeschlussspannung von 2,3 Volt (bis 2,4 Volt bei niedrigen Temperaturen oder manchen wartungsfreien Akkus).

Es gibt mehrere Arten wie man einen Bleiakku in die ewigen Jagdgründe schicken kann:

Weite Entladung oder sogar Tiefentladung: Bei der Entladung entsteht Bleisulfat an den Elektroden. Dieses setzt zum einen die wirksame Plattenoberfläche zu und zum anderen hat es ein größeres Volumen als das normale Blei. Bei einer Tiefentladung wird der Volumenzuwachs so groß, dass die Bleiplatten regelrecht zerbröseln können. Durch den Volumenzuwachs riskiert man außerdem einen Kurzschluss.
Ständiges Arbeiten mit einem halbvollen Bleiakku: Das Bleisulfat verkrustet mit der Zeit die ganzen Platten und die Kapazität sinkt langsam ab. Nur durch Extremmaßnahmen kann so ein Akku noch gerettet werden (ähnlich dem Pushen von NiCd Zellen).
Überladung: Lädt man einen Bleiakku über die Ladeschlussspannung, so beginnt er zu gasen und verliert Wasser. Bei wartungsfreien Akkus kann sogar das Sicherheitsventil öffnen. Die Gasblasen reißen Bleioxydteilchen aus den Platten, was die Platten stark abnutzt und außerdem einen Schlamm am Boden bildet der zu Kurzschlüssen führen kann.
Laden mit zu hohem Strom: Hier treten die gleichen Effekte wie bei der Überladung auf
Wie behandelt man nun einen Bleiakku richtig, damit er lange Zeit mit voller Kapazität seinen Dienst versieht ?

Bei jeder möglichen Gelegenheit den Akku Volladen. Niemals einen Bleiakku entladen oder halbvoll herumstehen lassen.
Lade nur bis maximal zur Ladeschlussspannung von 2,3 Volt pro Zelle. Bei einem 12 Volt Akku also 13,8 Volt
Vorteilhaft ist ein Ladegerät mit gepulster Ladung da hier die Plattenbeläge besser entfernt werden.
Dauerladung (Akku hängt immer am Ladegerät) nur mit geringfügig erhöhter Ruhespannung (Ruhespannung 2,1 Volt, also mit ungefähr 2,2 Volt. Bei einem 12 Volt Akku mit 13,2 V)
Ein ideales Ladegerät für eine 12 Volt Bleibatterie hat eine konstante Ausgangsspannung von 13,8 bis 14 Volt und eine Strombegrenzung auf ca. 1/10 der Akkukapazität (z.B. für einen 7Ah Akku wird ein maximaler Ladestrom von 0,7 A verwendet). Wenn die Batterie voll wird, so sorgt die konstante Ausgangsspannung des Laders automatisch für eine Abnahme des Ladestroms.

So eine Konstantspannung lässt sich von jedem OM sehr einfach selbst herstellen (z.B. mit einem L200 Regler-IC). Diesen IC könnte man dann in eines diese Autobatterie-Foltergeräte einbauen um es zu einem guten Ladegerät zu machen.