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nickel-cadmium-akku

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nickel-cadmium-akku [2009/05/21 10:49] (aktuell)
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 +**[[Start]] | [[Technik]] | [[Akkumulator]] | [[Akkutypen]] | [[Akkutechnik]] | [[Ladeverfahren]] | [[CityEl Elektrik]] | [[Links]]**
  
 +^[[Kategorien]]:​ [[Akkumulator]],​ [[Akkutechnik]],​ [[Elektrik]]^
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 +====== Nickel-Cadmium-Akku oder kurz NiCd ======
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 +Veränderter Artikel aus: http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Nickel-Cadmium-Akku
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 +Ein Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd-Akku) ist ein wiederaufladbarer Akkumulator (so genannte Sekundärzelle).
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 +Von der grundsätzlichen Bauart ist zwischen offenen und gasdichten Zellen zu unterscheiden. Gasdichte Zellen sind häufig baugleich zu handelsüblichen Batterien und können daher als Ersatz für diese sogenannten Primärzellen verwendet werden, offene Zellen werden für stationäre Anwendungen verwendet.
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 +===== Geschichte =====
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 +Der Nickel-Cadmium-Akkumulator wurde 1899 von dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt. Der NiCd-Akkumulator gehört zu den alkalischen Batteriesystemen,​ an denen auch Thomas Alva Edison zu der Zeit parallel gearbeitet hat. Ein wesentlicher Unterschied zu dem bis dahin bekannten Bleiakkumulator ist, dass das Elektrolyt während der Ladung und Entladung unverändert bleibt.
 +
 +1910 begann die industrielle Fertigung des NiCd-Akkumulators in Schweden. Diese ersten NiCd-Akkumulatoren hatten sogenannte Taschenelektroden,​ die auch heute noch üblich sind. Ungefähr 1930 wurden in Deutschland sogenannte Sinterelektroden entwickelt. Das Prinzip der gasdichten Zellen wurde 1933 von Dassler veröffentlicht. Serienreife gasdichte Zellen waren in den 50er Jahren verfügbar. Bis in die 90er Jahre hat sich der NiCd-Akkumulator zu der meistgebräuchlichen wiederaufladbaren Batterie im Endverbraucherbereich entwickelt. Zukünftig werden [[Nickel-Metallhydrid-Akku]]s (NiMH) und Lithium-Systeme mehr Bedeutung bekommen, da sie höhere Energiedichten aufweisen und keine umweltschädlichen Schwermetalle wie Cadmium enthalten.
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 +===== Technische Daten =====
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 +aus: http://​www.ict.fraunhofer.de/​deutsch/​scope/​ae/​nikohcd.html
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 +|Ni/​Cd-System|offen|gasdicht|
 +|Elektrolytlösung KOH|Dichte 1,17 – 1,19 g/​cm3|Dichte 1,24 – 1,3 g/cm3|
 +|Leitfähigkeit (20 °C)|0,5 S/cm|0,63 S/cm|
 +|Gefrierpunkt||- 46°C|
 +|Leerlaufspannung|1,​35 V|1,28 – 1,35 V|
 +|Spannung unter Nennlast|1,​2 V|1,2 V|
 +|Betriebstemperatur|- 20 bis 45°C|- 20 bis + 50°C, (60°C) empfohlen: +10 - 45°C|
 +|spez. Energie, (theoretisch 210 Wh/kg)|25 Wh/kg|40 Wh/kg, 25 bis 35 Wh/kg mit Faserstrukturelektroden|
 +|Energiedichte||35 bis 100 Wh/l|
 +|Lebensdauer (bei mittlerer Temperatur)|Bis 15 Jahre; 1500 bis 4000 Zyklen je nach Elektrodentyp|ca. 4 Jahre, 1000 – 2000 Zyklen abhängig von der Nutzung *|
 +|Schockbelastbarkeit|gut|sehr gut|
 +|Energiewirkungsgrad|70-80 %|60 bis 70%|
 +
 +* Die Lebensdauer ist abhängig von der erwartete/​benötigten Leistung/​Kapazität/​Selbstentladedauer. Es gibt Berichte von Zellen die 20 Jahre und länger herumlagen und reaktivierbar (Ladem mit 1/10 der angegebenen Kapazität) waren.
 +
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 +===== Eigenschaften =====
 +
 +NiCd-Akkumulatoren haben eine nominale Spannung von 1,2 Volt, die somit 20 % unter den 1,5 Volt normaler Batterien liegt. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da die meisten Geräte auf niedrige Spannungen von 0,9–1,0 Volt entladener Batterien ausgelegt sind. Durch den geringen Innenwiderstand von NiCd-Akkumulatoren können diese hohe Ströme liefern. NiCd-Akkus werden (auch deshalb) vor allem im Modellbau und schnurlosen Telefonen genutzt. NiCd-Akkus müssen bei einer Restspannung ([[Entladeschlussspannung]]) von 0,85 - 0,9V wieder aufgeladen werden, eine weitergehende Entladung führt zu [[Tiefentladung]],​ die in ihren Auswirkungen mit dem (bei handelsüblichen NiCd-Akkus kaum vorhandenen) [[Memory-Effekt]] verwechselt wird.
 +
 +Eine bei anderen Technologien selten anzutreffende Eigenschaft ist das hervorragende Tieftemperaturverhalten von NiCd-Akkumulatoren. Selbst bei -40 °C besitzt ein Akku mit Faserstrukturplatten-Technik noch über 50 % seiner nominellen Kapazität bei Raumtemperatur.
 +
 +Innenwiderstand und Verlustleistung (Erwärmung) bei max Dauerentladestrom\\
 +Die interne Verlustleistung ist bei vollem Akku am geringsten. Bei ca 10% Restkapazität ist sie demgegenüber doppelt so hoch. Bei 2% beträgt sie das 3-fache der Verlustleistung des geladenen Akkus.
 +Hieraus folgt das ein Akku mit fortschreitender Entladetiefe weniger stark belastet werden darf.
 +
 +===== Aufbau =====
 +
 +Die Elektroden des NiCd-Akkumulators bestehen in geladenem Zustand aus Platten, die am Minuspol mit fein verteiltem Cadmium und am Pluspol mit Nickel(III)-oxidhydroxid beladen sind. Als Elektrolyt wird 20%ige Kaliumhydroxid-Lösung verwendet. Diese Kombination liefert eine Spannung von 1,3 V.
 +
 +Bei Überladung des Akkumulators wird an der negativen Elektrode [[Wasserstoff]] und an der positiven Elektrode Sauerstoff produziert; man sagt der Akku „gast“. In geschlossenen,​ also gasdichten Zellen muss dies wegen der Explosionsgefahr unbedingt verhindert werden, aus diesem Grund wird die negative Cadmiumelektrode überdimensioniert und dient als negative Entladereserve. Die positive Nickelelektrode enthält etwas Cadmiumhydroxid als „antipolare Masse“. Bei Überladung mit geringeren Laderaten (ca. 0,1 C), stellt sich so ein Gleichgewicht zwischen Sauerstofffreisetzung und -verbrauch ein, es wird kein Wasserstoff entwickelt.
 +
 +In gasdichten Faserstruktur-NiCd-Zellen wird der entstehende Sauerstoff an einer katalytisch wirksamen Oberfläche der Faserstruktur-Rekombinationselektrode so schnell rekombiniert,​ dass im Betrieb sogar ein leichter Unterdruck entsteht.
 +
 +===== Elektrochemie =====
 +
 +NiCd-Akkumulatoren enthalten im geladenen Zustand:
 +
 +    * eine positive Elektrode: NiOOH
 +    * eine negative Elektrode: Cd
 +    * einen Separator
 +    * ein Elektrolyt, meist 20%ige KOH
 +
 +Entladevorgang:​ An der Anode/​negativen Elektrode wird Cadmium zum Cadmiumhydroxid (Cd(OH)₂) oxidiert. Die freiwerdenden Elektronen fließen dann über den Verbraucher zur Kathode/​positiven Elektrode. Dort wird das Nickel(III)-oxidhydroxid NiOOH zu Nickel(II)hydroxid Ni(OH)₂ reduziert.
 +
 +==== Reaktionen: ====
 +
 +    Negative Elektrode: Cd + 2OH^- <--> Cd(OH)_2 + 2e^-
 +    Positive Elektrode: 2 NiO(OH) + 2 H_2O +2e^- <--> 2 Ni(OH)_2 + 2 OH^-
 +    Gesamtreaktion:​ 2 NiO(OH) + Cd + 2 H_2O <--> 2 Ni(OH)_2 + Cd(OH)_2
 +
 +    -->: Entladung
 +    <--: Ladung
 +
 +Ladevorgang:​ die Reaktionen laufen in umgekehrter Richtung ab, die Cadmium-Elektrode ist dann ebenfalls Minuspol, aber Kathode, da hier reduziert wird, die Nickelelektrode ist entsprechend Pluspol/​Anode,​ an dem eine Oxidation abläuft.
 +
 +Überladen: Gegen Ende des Ladezyklus steigt die Zellspannung an, ab ca. 1,55–1,6 V wird die Zersetzungsspannung des Wassers unter den Bedingungen der Zelle überschritten,​ es kommt zum Gasen:
 +Negative Elektrode: 4 H_2O + 4 e^- --> 2 H_2 + 4 OH^-
 +Positive Elektrode: 4 OH^- --> 2 H_2O + O_2 + 4 e^-
 +Gesamtreaktion:​ 2 H_2O --> 2 H_2 + O_2
 +
 +In gasdichten NiCd-Akkus wird ein Überschuss von Cadmium(II)-hydroxid verwendet. Am Pluspol entsteht beim Überladen Sauerstoff, während am Minuspol noch Cd²⁺ reduziert wird. Der Sauerstoff reagiert dann mit Cadmium weiter zu Cadmium(II)-hydroxid und wird so gleich wieder verbraucht.
 +
 +
 +===== Probleme =====
 +
 +NiCd-Akkus enthalten das giftige Schwermetall Cadmium und müssen daher über besondere Rücknahmesysteme gesondert entsorgt werden.
 +
 +Beim Überladen von NiCd-Akkumulatoren können diese beschädigt werden:
 +
 +    * Ausgasen durch Überhitzung/​Überladung (irreversibel)
 +    * Entstehen von γ-NiOOH und dadurch Spannungsabfall (44–50 mV)
 +    * Entstehen von intermetallischer Verbindung Ni₅Cd₂₁ und dadurch Spannungsabfall (120 mv)
 +
 +Auch Falschladung (Verpolen) beschädigt eine Zelle durch Ausgasen an der Anode. Dadurch entsteht auch hochentzündlicher Wasserstoff. Die Falschpolung einer Zelle innerhalb eines Akkupacks tritt bereits bei Tiefentladung auf. Die Zellen sind in Reihe geschaltet. Wenn die schwächste Zelle entladen ist, liegt an ihrer negativen Elektrode der Pluspol, an der positiven Elektrode der Minuspol der Nachbarzellen.
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 +===== Regenerieren =====
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 +Aus Forum: http://​forum.myphorum.de/​read.php?​f=567&​i=10317&​t=10315#​reply_10317
 +
 +Sollte sich bei Nicads im Laufe der Zeit ein Kapazitätsverlust bemerkbar machen,ist die Warscheinlichkeit sehr hoch den Quasi-Neuzustand wieder herzustellen,​wenn man nach vorausgegangener Entladung die Kalilauge erneuert.Weil diese im Laufe der Betriebszeit Kohlensäure(dioxyd) aus der Umgebungsluft aufnimmt entsteht schlecht leitendes Kaliumkarbonat (Pottasche).Diese erhöht den Innenwiderstand der Zelle und verschlechtert den Wirkungsgrad.Angeblich verhindert eine aufschwimmender Ölfilm bei den Safts einen Kontakt mit der Umgebung.Ansonsten sollte man in Abständen von 1-2 Jahren den Laugenzustand prüfen und diese ggf.wechseln.Ist wegen Schwermetallabscheidungen ein teurer Sondermüll.Das betrifft nicht nur die Netto-Lauge,​sondern auch das gesamte Spülwasser (natürlich destilliert).
 +Mein Akku-Dealer hat mir angeboten den unangenehmen Teil dieses Jobs gegen das Präsentieren eines kleinen Aufklebers am Auto zu Übernehmen.
 +
 +===== Spülwasser Restlauge und Löslichkeit von Cadmium =====
 +
 +Aus Forum: http://​forum.myphorum.de/​read.php?​f=567&​i=10326&​t=10315#​reply_10326
 +
 +Die Cadmiumkonzentration in Kalilauge ist sehr klein.\\ ​
 +In reinem Wasser dagegen ist also die Konzentration viel zu hoch, da hier weniger OH-Ionen vorliegen. Vorsicht also beim Spülen von Nicads!\\ ​
 +Das Löslichkeitsprodukt von Cadmiumhydroxyd ist 32 *10^-12. Löslichkeitsprodukt,​ heißt, in Wasser:
 +Das Produkt der molaren Konzentration des zweiwertigen Cadmiumions mal der der OH-Ionen kann nicht höher als 32*10^-12 betragen. Sonst fällt es aus und setzt sich als Bodensatz ab.
 +
 +In starker Lauge ist CdOH2 also sehr ungefährlich,​ sofern die Lauge Zeit hatte, ​ abzustehen . 
 +Nur der Bodensatz ist gefährlich!
 +__In Säuren löst sich Cd in Massen, deshalb niemals Cadmium mit Säuren in Verbindung bringen, und schon reines Wasser ist da viel zu sauer!__ Schließlich beträgt hier die OH-Konzentration nur 10^-7, die Cd2+ Ionen würden also mit 32*10^-5 mol/l in Lösung gehen und das ist viel zu viel, und wenn die OH-Ionen erst einmal ausgetauscht sind, steigt die Löslichkeit in den Bereich von vielen Gramm pro Liter. Itai-Itai-Krankheit!
 +
 +Vereinfacht kann man sagen, dass Batterielauge im gut abgesetzten Zustand Trinkwasserqualität hat, nur aus anderen Gründen etwas streng schmeckt.
 +Cadmium ist sehr schwer, Atomgewicht etwa 150, also auch kleine Konzentrationen bringen schon relativ viel auf die Waage.
 +Neutralisation mit Batteriesäure also erst nach sorgfältigem Abstehen bzw. Filtrieren, erst dann guten Appetit!
 +
 +Vereinfacht wird CdOH2 als unlöslich bezeichnet, was also so pauschal nicht stimmt. Erlaubte Konzentrationen:​
 +Trinkwasser:​ 0,005mg/l
 +In den Wald dürft Ihr es im Klärschlamm kippen, wenn die Konzentration des Cadmiums nicht höher als 1mg/kg beträgt. Das ist also 1 Gewichts-ppm. Meiner Meinung nach viel zu hoch, obwohl die meisten Dünger mehr enthalten.
 +Ins Abwasser dürft Ihr die neutralisierte Lauge also in Massen kippen, die dann ja Trinkwasserqualität hat, bis auf den Geschmack, erlaubt sind im Abwasser ebenfalls immer noch 1 mg/Liter.
 +
 +Also nochmal: In basischer Umgebung, in nicht zu schwacher Lauge: ungefährlich,​ beim Spülen mit Wasser wird es schon gefährlich,​ in Säure: absolute Giftbrühe.
 +Kurzes Spülen mit nicht zu großen Wassermengen halte ich für ungefährlich. Wenn Ihr wüsstet, welche Unmengen bisher täglich in die Ausgüsse gekippt werden!
 +
 +===== EU-weites Verbot =====
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 +Im Dezember 2004 hat der EU-Ministerrat eine Richtlinie verabschiedet,​ deren Ziel es ist, die technische Nutzung von Cadmium zu reduzieren. Vorbehaltlich der Zustimmung des EU-Parlaments sollen die Mitgliedsstaaten innerhalb von zwei Jahren durch nationale Gesetze zunächst Nickel-Cadmium-Akkus verbieten. Auf Wunsch einiger Mitgliedsstaaten – darunter auch Deutschland – sollen jedoch, unter anderem schnurlose Elektrowerkzeuge,​ so genannte Power Tools, von dem Verbot zunächst ausgenommen werden, weil „für Power Tools nicht sicher gestellt ist, dass gleichwertiger Ersatz aktuell verfügbar ist“. Vier Jahre nach Inkrafttreten der Richtlinie soll diese Ausnahme jedoch überprüft werden, um das Cadmium-Verbot dann möglicherweise auszudehnen. Siehe auch RoHS.
 +
 +Alle Mitgliedsstaaten der EU wurden verpflichtet diese Richtlinie in nationales Recht umzusetzen.
 +
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 +====== Siehe auch ======
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 +  * **[[Nickel-Cadmium-Akku]]**
 +
 +  * **[[NiCd-Saft]]** ​
 +  * **[[Laden Der NiCd Akkus]]**
 +  * **[[Cityel_UmbauNiCdSaft]]**
 +  * **[[NiCd-SAFT Reparatur]]**
 +
 +  * **[[Renault Clio Eigenimport aus Frankreich]]**\\
 +  * **[[Clio Bedienungsanleitung]]**\\
 +  * **[[Umbau des Ladekabels auf Schuko - Stecker]]**\\
 +  * **[[Wasserwartung der NiCd am Renault Clio]]**\\
 +
 +  * **[[CityEl Umbauten48V]]**
 +  * **[[cityel_umbaunicdsaft]]**
 +  * **[[Cityelumbau auf NiCd Monozellen]]**
 +  * **[[NICD 50Ah 48V Umbau]]**
 +  * **[[nicd-saft_korsett|Aufbau und Zweck eines Korsetts für Saft NiCd Akkus]]**
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 +====== Links ======
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 +  * **[[http://​www.ict.fraunhofer.de/​deutsch/​scope/​ae/​nikohcd.html|NiCd im Batterie-Glossar des Frauenhoferinstitutes]]**
 +  * http://​www.microcharge.de/​Bleiakku-Interna.html **Gute Erklärung und Zusammenfassung verschiedener Probleme**
 +  * **[[http://​www.batteryuniversity.com/​partone-german.htm|Ausführliche auch wissenschaftliche Erklärungen von batteryuniversity]]**
 +  * **[[http://​www.ict.fraunhofer.de/​deutsch/​scope/​ae/​bg.html|Batterie-Glossar des Frauenhoferinstitutes]]**
nickel-cadmium-akku.txt · Zuletzt geändert: 2009/05/21 10:49 (Externe Bearbeitung)