Nickel-Metallhydrid-Akkumulator

Nickel-Metallhydrid-Akku

Moderne wiederaufladbare NiMH-Zellen ⓘ
Spezifische Energie	60-120 W-h/kg
Energiedichte	140-300 W-h/L
Spezifische Leistung	250-1.000 W/kg
Wirkungsgrad der Ladung/Entladung	66%–92%
Selbstentladungsrate	13,9-70,6% bei Raumtemperatur 36,4-97,8 % bei 45 °C Geringe Selbstentladung: 0.08-2.9% (pro Monat)
Zyklenfestigkeit	180-2000 Zyklen
Nominale Zellenspannung	1.2 V

Eine Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH oder Ni-MH) ist ein Typ von wiederaufladbaren Batterien. Die chemische Reaktion an der positiven Elektrode ist ähnlich wie bei der Nickel-Cadmium-Zelle (NiCd), wobei beide Nickeloxidhydroxid (NiOOH) verwenden. Bei den negativen Elektroden wird jedoch eine wasserstoffabsorbierende Legierung anstelle von Cadmium verwendet. NiMH-Batterien können die zwei- bis dreifache Kapazität von NiCd-Batterien gleicher Größe haben und weisen eine deutlich höhere Energiedichte auf, wenn auch weit weniger als Lithium-Ionen-Batterien. ⓘ

Sie werden in der Regel als Ersatz für ähnlich geformte nicht wiederaufladbare Alkalibatterien verwendet, da sie eine etwas niedrigere, aber im Allgemeinen kompatible Zellenspannung aufweisen und weniger anfällig für Auslaufen und Explosionen sind. ⓘ

Handelsübliche NiMH-Akkuzellen in Mignon-Bauform (Größe AA) ⓘ

NiMH-Akkumulatoren sind vielfach in den üblichen Bauformen von Standardbatterien verbreitet und liefern pro Zelle eine Nennspannung von 1,2 V bei einer typischen Entladeschlussspannung von 1,0 V. Sie können damit zumeist als wiederaufladbare Alternative die gängigen Alkalibatterien in haushaltsüblichen Geräten ersetzen. Vorteile gegenüber den mittlerweile nicht mehr frei verkäuflichen Nickel-Cadmium-Akkumulatoren (NiCd) bestehen im Fehlen des giftigen Cadmiums und einer höheren Energiedichte. ⓘ

Seit 2006 sind NiMH-Akkumulatoren mit geringer Selbstentladung auf dem Markt, die sich gegenüber herkömmlichen NiMH-Akkus durch eine erheblich reduzierte Selbstentladung auszeichnen. ⓘ

Geschichte

Zerlegte NiMH-AA-Batterie:

# Positiver Pol # Äußeres Metallgehäuse (auch negativer Pol) # Positive Elektrode # Negative Elektrode mit Stromabnehmer (Metallgitter, verbunden mit dem Metallgehäuse) # Separator (zwischen den Elektroden) ⓘ

Die Arbeiten an NiMH-Batterien begannen im Battelle-Geneva Research Center nach der Erfindung dieser Technologie im Jahr 1967. Sie basierte auf gesinterten Ti₂Ni+TiNi+x-Legierungen und NiOOH-Elektroden. Die Entwicklung wurde über fast zwei Jahrzehnte von Daimler-Benz und der Volkswagen AG innerhalb der Deutschen Automobilgesellschaft, heute eine Tochtergesellschaft der Daimler AG, gefördert. Die spezifische Energie der Batterien erreichte 50 W-h/kg (180 kJ/kg), die spezifische Leistung bis zu 1000 W/kg und eine Lebensdauer von 500 Ladezyklen (bei 100% Entladetiefe). Patentanmeldungen wurden in europäischen Ländern (Priorität: Schweiz), den Vereinigten Staaten und Japan eingereicht. Die Patente gingen auf Daimler-Benz über. ⓘ

Das Interesse wuchs in den 1970er Jahren mit der Kommerzialisierung der Nickel-Wasserstoff-Batterie für Satellitenanwendungen. Die Hydrid-Technologie versprach eine alternative, weniger sperrige Möglichkeit zur Speicherung von Wasserstoff. Im Rahmen von Forschungsarbeiten der Philips Laboratories und des französischen CNRS wurden neue Hochenergie-Hybridlegierungen entwickelt, die Seltenerdmetalle für die negative Elektrode enthielten. Diese litten jedoch unter der Instabilität der Legierung im alkalischen Elektrolyt und folglich unter einer unzureichenden Zykluslebensdauer. 1987 demonstrierten Willems und Buschow eine erfolgreiche Batterie auf der Grundlage dieses Konzepts (mit einer Mischung aus La_0.8Nd_0.2Ni_2.5Co_2.4Si_0.1), die nach 4000 Lade-/Entladezyklen noch 84 % ihrer Kapazität besaß. Bald wurden wirtschaftlichere Legierungen entwickelt, bei denen Mischmetall anstelle von Lanthan verwendet wurde. Die modernen NiMH-Zellen basieren auf diesem Design. Die ersten verbrauchergerechten NiMH-Zellen wurden 1989 auf den Markt gebracht. ⓘ

Im Jahr 1998 verbesserte Ovonic Battery Co. die Struktur und Zusammensetzung der Ti-Ni-Legierung und ließ seine Innovationen patentieren. ⓘ

Im Jahr 2008 wurden weltweit mehr als zwei Millionen Hybridfahrzeuge mit NiMH-Batterien hergestellt. ⓘ

In der Europäischen Union haben Nickel-Metallhydrid-Batterien aufgrund der Batterierichtlinie die Ni-Cd-Batterien für tragbare Verbraucher ersetzt. ⓘ

Etwa 22 % der 2010 in Japan verkauften Gerätebatterien waren NiMH-Batterien. In der Schweiz lag der Anteil 2009 bei rund 60%. Dieser Prozentsatz ist im Laufe der Zeit aufgrund der zunehmenden Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien gesunken: Im Jahr 2000 waren fast die Hälfte aller in Japan verkauften wiederaufladbaren Gerätebatterien NiMH. ⓘ

Im Jahr 2015 stellte die BASF eine modifizierte Mikrostruktur her, die dazu beitrug, NiMH-Batterien haltbarer zu machen, was wiederum Änderungen am Zellendesign ermöglichte, die zu erheblichen Gewichtseinsparungen führten und die spezifische Energie auf 140 Wattstunden pro Kilogramm ansteigen ließen. ⓘ

Elektrochemie

Beim Ladevorgang werden am Minuspol H⁺-Ionen (Protonen) zu Wasserstoff reduziert, der reversibel von der Metalllegierung gebunden und als Metallhydrid gespeichert wird. Am Pluspol wird beim Ladevorgang Nickel der Oxidationsstufe +II (in Form von Nickel(II)-hydroxid) zu Nickel der Oxidationsstufe III (zu Nickel(III)-oxidhydrat NiO(OH)) oxidiert. ⓘ

Beim Entladen wird der im Metallhydrid (M⁺H⁻) gebundene Wasserstoff zu einem Proton (H⁺) oxidiert und es entsteht ein Metall der Oxidationsstufe 0 (M⁰). Die entstehenden Protonen reagieren mit den OH⁻-Ionen (Hydroxidionen) der Kalilauge zu Wasser. Das Redoxpotential bei pH 14 beträgt ca. −0,83 V⁽¹⁾. Durch die ebenfalls bei der Reaktion entstehenden freien Elektronen wird dieser Pol zum Minuspol. Am anderen Pol wird Nickel der Oxidationsstufe +III (NiO(OH) oder Ni₂O₃·H₂O) zu Nickel der Oxidationsstufe +II (Ni(OH)₂) reduziert. Dabei werden freie Elektronen gebunden, so dass dieser Pol zum Plus-Pol wird. Das Redoxpotenzial beträgt ca. +0,49 V⁽²⁾. Die Gesamtspannung der Summen-Reaktion beträgt 1,32 V⁽³⁾. ⓘ

(1) Oxidation:	$\mathrm {{\overset {+1}{M}}H+OH^{-}\longrightarrow {\overset {0}{M}}+H_{2}O+e^{-}}$	−0,83 V ⓘ
(2) Reduktion:	$\mathrm {{\overset {+3}{Ni}}O(OH)+H_{2}O+e^{-}\longrightarrow {\overset {+2}{Ni}}(OH)_{2}+OH^{-}}$	+0,49 V
(3) Redoxreaktion:	$\mathrm {{\overset {+1}{M}}H+{\overset {+3}{Ni}}O(OH)\longrightarrow {\overset {0}{M}}+{\overset {+2}{Ni}}(OH)_{2}}$	Summe: 1,32 V	Leerlaufspannung

Damit gegen Ende der Entladung nicht das Metall statt des Wasserstoffs oxidiert, verbaut man eine negative Elektrode, die viel größer ist als die positive Elektrode. Letztere bestimmt damit die Kapazität des Akkumulators: Das Nickel(III)-oxidhydroxid an der kleineren positiven Elektrode ist erschöpft, bevor der Wasserstoff an der größeren negativen Elektrode vollständig aufgebraucht ist. ⓘ

H₂O + M + e- ⇌ OH- + MH ⓘ

An der positiven Elektrode bildet sich Nickeloxydhydroxid, NiO(OH):

Ni(OH)₂ + OH- ⇌ NiO(OH) + H₂O + e- ⓘ

Die Reaktionen verlaufen bei der Aufladung von links nach rechts und bei der Entladung in umgekehrter Richtung. Das Metall M in der negativen Elektrode einer NiMH-Zelle ist eine intermetallische Verbindung. Es wurden viele verschiedene Verbindungen für diese Anwendung entwickelt, aber die derzeit verwendeten lassen sich in zwei Klassen einteilen. Die gebräuchlichste ist AB₅, wobei A ein Seltenerdgemisch aus Lanthan, Cer, Neodym und Praseodym und B Nickel, Kobalt, Mangan oder Aluminium ist. Einige Zellen verwenden negative Elektrodenmaterialien mit höherer Kapazität, die auf AB₂-Verbindungen basieren, wobei A Titan oder Vanadium und B Zirkonium oder Nickel ist, modifiziert mit Chrom, Kobalt, Eisen oder Mangan. ⓘ

Bipolare Batterie

NiMH-Batterien mit bipolarem Aufbau (bipolare Batterien) werden entwickelt, da sie einige Vorteile für Anwendungen als Speichersysteme für Elektrofahrzeuge bieten. Der feste Polymermembran-Gel-Separator könnte für solche Anwendungen in bipolarer Bauweise nützlich sein. Mit anderen Worten, dieses Design kann dazu beitragen, Kurzschlüsse in Flüssig-Elektrolyt-Systemen zu vermeiden. ⓘ

Ladung

Beim Schnellladen ist es ratsam, die NiMH-Zellen mit einem intelligenten Ladegerät zu laden, um eine Überladung zu vermeiden, die die Zellen beschädigen kann. ⓘ

Erhaltungsladung

Die einfachste der sicheren Lademethoden ist das Laden mit einem festen niedrigen Strom, mit oder ohne Zeitschaltuhr. Die meisten Hersteller geben an, dass eine Überladung bei sehr niedrigen Strömen unter 0,1 C (C/10) sicher ist (wobei C der Strom ist, der der Kapazität der Batterie geteilt durch eine Stunde entspricht). Das Panasonic NiMH-Ladehandbuch warnt davor, dass eine zu lange Überladung eine Batterie beschädigen kann, und empfiehlt, die Gesamtladezeit auf 10-20 Stunden zu begrenzen. ⓘ

Duracell schlägt außerdem vor, dass eine Erhaltungsladung bei C/300 für Batterien verwendet werden kann, die in einem vollständig geladenen Zustand gehalten werden müssen. Einige Ladegeräte tun dies nach dem Ladezyklus, um die natürliche Selbstentladung auszugleichen. Ein ähnlicher Ansatz wird von Energizer vorgeschlagen, der darauf hinweist, dass die Selbstkatalyse das an den Elektroden gebildete Gas bei Ladegeschwindigkeiten bis zu C/10 rekombinieren kann. Dies führt zu einer Erwärmung der Zelle. Das Unternehmen empfiehlt C/30 oder C/40 für unbestimmte Anwendungen, bei denen eine lange Lebensdauer wichtig ist. Dies ist der Ansatz, der bei Notbeleuchtungsanwendungen verfolgt wird, bei denen die Konstruktion im Wesentlichen die gleiche bleibt wie bei älteren NiCd-Geräten, mit Ausnahme eines höheren Wertes für den Erhaltungsladewiderstand. ⓘ

Im Handbuch von Panasonic wird empfohlen, NiMH-Batterien im Bereitschaftszustand mit einem niedrigeren Tastverhältnis zu laden, bei dem ein höherer Stromimpuls verwendet wird, sobald die Batteriespannung unter 1,3 V fällt. ⓘ

ΔV-Ladeverfahren

NiMH-Ladekurve ⓘ

Um Zellschäden zu vermeiden, müssen Schnellladegeräte ihren Ladezyklus beenden, bevor es zu einer Überladung kommt. Eine Methode besteht darin, die Veränderung der Spannung mit der Zeit zu überwachen. Wenn die Batterie voll geladen ist, sinkt die Spannung an den Polen leicht ab. Das Ladegerät kann dies erkennen und den Ladevorgang beenden. Diese Methode wird häufig bei Nickel-Cadmium-Zellen verwendet, die bei voller Ladung einen starken Spannungsabfall aufweisen. Bei NiMH-Zellen ist der Spannungsabfall jedoch weit weniger ausgeprägt und kann bei niedrigen Laderaten ganz ausbleiben, was die Methode unzuverlässig machen kann. ⓘ

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Spannungsänderung in Abhängigkeit von der Zeit zu überwachen und zu stoppen, wenn diese gleich Null wird, aber dies birgt die Gefahr einer vorzeitigen Abschaltung. Mit dieser Methode kann eine viel höhere Laderate als bei einer Erhaltungsladung verwendet werden, bis zu 1 C. Bei dieser Laderate empfiehlt Panasonic, den Ladevorgang zu beenden, wenn die Spannung um 5-10 mV pro Zelle von der Spitzenspannung abfällt. Da bei dieser Methode die Spannung an der Batterie gemessen wird, wird ein Konstantstrom- (und nicht ein Konstantspannungs-) Ladestromkreis verwendet. ⓘ

ΔT-Ladeverfahren

Die Temperaturänderungsmethode ist im Prinzip ähnlich wie die ΔV-Methode. Da die Ladespannung nahezu konstant ist, wird bei der Konstantstrom-Ladung Energie mit nahezu konstanter Geschwindigkeit abgegeben. Wenn die Zelle nicht vollständig geladen ist, wird der größte Teil dieser Energie in chemische Energie umgewandelt. Erreicht die Zelle jedoch die volle Ladung, wird der größte Teil der Ladeenergie in Wärme umgewandelt. Dadurch erhöht sich die Änderungsrate der Akkutemperatur, die von einem Sensor wie z. B. einem Thermistor erfasst werden kann. Sowohl Panasonic als auch Duracell empfehlen eine maximale Temperaturanstiegsrate von 1 °C pro Minute. Die Verwendung eines Temperatursensors ermöglicht eine absolute Temperaturabschaltung, die Duracell mit 60 °C angibt. Sowohl bei der ΔT- als auch bei der ΔV-Lademethode empfehlen beide Hersteller eine weitere Erhaltungsladung im Anschluss an die erste Schnellladung. ⓘ

Sicherheit

NiMH-Zelle, deren Kappe aufgrund eines defekten Sicherheitsventils geplatzt ist ⓘ

Eine rücksetzbare Sicherung in Reihe mit der Zelle, insbesondere vom Typ Bimetall, erhöht die Sicherheit. Diese Sicherung öffnet sich, wenn entweder der Strom oder die Temperatur zu hoch wird. ⓘ

Moderne NiMH-Zellen enthalten Katalysatoren zur Behandlung von Gasen, die bei Überladung entstehen (${\ce {}}$). Dies funktioniert jedoch nur bei Überladeströmen von bis zu 0,1 C (d. h. Nennkapazität geteilt durch zehn Stunden). Diese Reaktion führt zur Erwärmung der Batterien und beendet den Ladevorgang. ⓘ

Eine Methode für sehr schnelles Laden, die so genannte In-Cell-Ladesteuerung, beinhaltet einen internen Druckschalter in der Zelle, der den Ladestrom im Falle eines Überdrucks unterbricht. ⓘ

Ein inhärentes Risiko der NiMH-Chemie besteht darin, dass sich bei Überladung Wasserstoffgas bildet, das die Zelle zum Platzen bringen kann. Daher verfügen die Zellen über eine Entlüftung, um das Gas im Falle einer starken Überladung abzulassen. ⓘ

NiMH-Batterien werden aus umweltfreundlichen Materialien hergestellt. Sie enthalten nur geringfügig giftige Substanzen und sind recycelbar. ⓘ

Verlust von Kapazität

Ein Spannungsabfall (der oft fälschlicherweise dem Memory-Effekt zugeschrieben wird) durch wiederholte Teilentladung kann auftreten, ist aber mit einigen vollständigen Entlade-/Ladezyklen reversibel. ⓘ

Entladung

Eine vollständig geladene Zelle liefert während der Entladung durchschnittlich 1,25 V/Zelle, die auf etwa 1,0-1,1 V/Zelle abfällt (eine weitere Entladung kann bei mehrzelligen Akkus aufgrund der Umpolung zu dauerhaften Schäden führen). Bei einer leichten Belastung (0,5 Ampere) beträgt die Startspannung einer frisch geladenen AA-NiMH-Zelle in gutem Zustand etwa 1,4 Volt. ⓘ

Überentladung

Eine vollständige Entladung von mehrzelligen Akkus kann zu einer Verpolung einer oder mehrerer Zellen führen, was diese dauerhaft beschädigen kann. Diese Situation kann bei der üblichen Anordnung von vier AA-Zellen in Reihe in einer Digitalkamera auftreten, bei der sich eine Zelle aufgrund geringer Kapazitätsunterschiede zwischen den Zellen vor den anderen vollständig entlädt. In diesem Fall beginnen die guten Zellen, die entladene Zelle in die umgekehrte Polarität zu treiben (d. h. positive Anode/negative Kathode). Einige Kameras, GPS-Empfänger und PDAs erkennen die sichere Entladeschlussspannung der Reihenzellen und führen eine automatische Abschaltung durch, aber Geräte wie Taschenlampen und einige Spielzeuge tun dies nicht. ⓘ

Irreversible Schäden durch Verpolung sind eine besondere Gefahr, selbst wenn eine Abschaltung mit niedriger Spannungsschwelle verwendet wird, wenn die Zellen sich in der Temperatur verändern. Der Grund dafür ist, dass die Kapazität bei Abkühlung der Zellen deutlich abnimmt. Dies führt zu einer niedrigeren Spannung unter Last bei den kälteren Zellen. ⓘ

Selbstentladung

In der Vergangenheit hatten NiMH-Zellen eine etwas höhere Selbstentladungsrate (entspricht der internen Leckage) als NiCd-Zellen. Die Selbstentladung variiert stark mit der Temperatur, wobei eine niedrigere Lagertemperatur zu einer langsameren Entladung und einer längeren Lebensdauer der Batterie führt. Die Selbstentladung beträgt am ersten Tag 5-20 % und stabilisiert sich bei Raumtemperatur bei etwa 0,5-4 % pro Tag. Bei 45 °C ist sie jedoch etwa dreimal so hoch. ⓘ

Geringe Selbstentladung

Die Nickel-Metallhydrid-Batterie mit geringer Selbstentladung (LSD NiMH) hat eine deutlich geringere Selbstentladung. Die Innovation wurde 2005 von Sanyo unter dem Markennamen Eneloop eingeführt. Durch die Verwendung eines verbesserten Elektrodenseparators und einer verbesserten positiven Elektrode behalten die Zellen laut Hersteller 70-85 % ihrer Kapazität, wenn sie ein Jahr lang bei 20 °C gelagert werden, verglichen mit etwa der Hälfte bei normalen NiMH-Batterien. Ansonsten ähneln sie normalen NiMH-Batterien und können in typischen NiMH-Ladegeräten aufgeladen werden. Diese Zellen werden als "hybride", "gebrauchsfertige" oder "vorgeladene" Akkus vermarktet. Die Ladungserhaltung hängt zum großen Teil vom Auslaufwiderstand des Akkus (je höher, desto besser) sowie von seiner Größe und Ladekapazität ab. ⓘ

Separatoren trennen die beiden Elektroden voneinander, um die elektrische Entladung zu verlangsamen und gleichzeitig den Transport von ionischen Ladungsträgern zu ermöglichen, die den Stromkreis schließen, wenn Strom fließt. Qualitativ hochwertige Separatoren sind entscheidend für die Leistung der Batterie. ⓘ

Die Selbstentladungsrate hängt von der Dicke des Separators ab; dickere Separatoren verringern die Selbstentladung, aber auch die Kapazität, da sie weniger Platz für aktive Komponenten lassen, und dünne Separatoren führen zu einer höheren Selbstentladung. Bei einigen Batterien konnte dieser Kompromiss durch die Verwendung präziser hergestellter dünner Separatoren und eines sulfonierten Polyolefin-Separators, einer Verbesserung gegenüber dem hydrophilen Polyolefin auf der Basis von Ethylenvinylalkohol, überwunden werden. ⓘ

Zellen mit geringer Selbstentladung haben aufgrund des größeren Volumens des Separators eine etwas geringere Kapazität als ansonsten gleichwertige NiMH-Zellen. Die kapazitätsstärksten AA-Zellen mit geringer Selbstentladung haben eine Kapazität von 2500 mAh, verglichen mit 2700 mAh bei AA-NiMH-Zellen mit hoher Kapazität. ⓘ

Im Vergleich zu anderen Batterietypen

NiMH-Zellen werden häufig in Digitalkameras und anderen Geräten mit hohem Stromverbrauch verwendet, wo sie über die Dauer einer einzigen Ladung die Leistung von Primärbatterien (z. B. Alkalibatterien) übertreffen. ⓘ

NiMH-Zellen sind für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch vorteilhaft, vor allem wegen ihres geringeren Innenwiderstands. Typische Alkalibatterien der Größe AA, die bei niedrigem Strombedarf (25 mA) eine Kapazität von etwa 2600 mAh bieten, haben bei einer Belastung von 500 mA nur eine Kapazität von 1300 mAh. Digitalkameras mit LCD-Bildschirmen und Taschenlampen können über 1000 mA verbrauchen, wodurch sie schnell erschöpft sind. NiMH-Zellen können diese Stromstärken ohne ähnliche Kapazitätsverluste liefern. ⓘ

Geräte, die für den Betrieb mit primären Alkalimetallzellen (oder Zink-Kohle-Chlorid-Zellen) konzipiert wurden, funktionieren möglicherweise nicht mit NiMH-Zellen. Die meisten Geräte kompensieren jedoch den Spannungsabfall einer Alkalibatterie, wenn diese auf etwa 1 Volt entladen wird. Aufgrund des geringen Innenwiderstands liefern NiMH-Zellen eine nahezu konstante Spannung, bis sie fast vollständig entladen sind. Aus diesem Grund geben Batteriestandsanzeigen, die für die Anzeige von Alkalibatterien ausgelegt sind, bei NiMH-Zellen eine zu hohe Restladung an, da die Spannung von Alkalibatterien während des größten Teils des Entladezyklus stetig abnimmt. ⓘ

Lithium-Ionen-Batterien haben eine höhere spezifische Energie als Nickel-Metallhydrid-Batterien, sind aber auch wesentlich teurer. Sie erzeugen auch eine höhere Spannung (3,2 bis 3,7 V Nennspannung) und können daher Alkalibatterien nicht einfach ersetzen, wenn keine Schaltung zur Spannungsreduzierung vorhanden ist. ⓘ

Im Jahr 2005 machten Nickel-Metallhydrid-Batterien drei Prozent des Batteriemarktes aus. ⓘ

Anwendungen

Ni-MH-Hochleistungsbatterie des Toyota NHW20 Prius, Japan ⓘ

24-V-Nickel-Metallhydrid-Akkupack von VARTA, Museum Autovision, Altlussheim, Deutschland ⓘ

Unterhaltungselektronik

NiMH-Batterien haben NiCd in vielen Bereichen ersetzt, vor allem bei kleinen wiederaufladbaren Batterien. NiMH-Batterien sind in der Regel als AA-Batterien (Stiftlampengröße) erhältlich. Diese haben eine Nennladekapazität (C) von 1,1 bis 2,8 Ah bei 1,2 V, gemessen bei einer Entladung der Zelle in 5 Stunden. Die nutzbare Entladekapazität ist eine abnehmende Funktion der Entladerate, aber bis zu einer Rate von etwa 1×C (vollständige Entladung in 1 Stunde) unterscheidet sie sich nicht wesentlich von der Nennkapazität. NiMH-Batterien arbeiten mit einer Nennspannung von 1,2 V pro Zelle und damit etwas niedriger als herkömmliche 1,5-V-Zellen, können aber viele Geräte betreiben, die für diese Spannung ausgelegt sind. ⓘ

Elektrofahrzeuge

GM Ovonic NiMH-Batteriemodul ⓘ

NiMH-Batterien wurden häufig in früheren Generationen von Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen verwendet. Ab 2020 werden sie in reinen Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeugen fast vollständig durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzt, aber in einigen Hybridfahrzeugen (z. B. Toyota Highlander 2020) werden sie weiterhin verwendet. Zu den früheren vollelektrischen Plug-in-Fahrzeugen gehörten der General Motors EV1, die erste Generation des Toyota RAV4 EV, der Honda EV Plus, der Ford Ranger EV und der Vectrix-Roller. Alle Hybridfahrzeuge der ersten Generation verwendeten NIMH-Batterien, vor allem der Toyota Prius und der Honda Insight, aber auch spätere Modelle wie der Ford Escape Hybrid, der Chevrolet Malibu Hybrid und der Honda Civic Hybrid. ⓘ

Patentrechtliche Fragen

Stanford R. Ovshinsky erfand und patentierte eine beliebte Verbesserung der NiMH-Batterie und gründete 1982 die Ovonic Battery Company. General Motors kaufte das Patent von Ovonics im Jahr 1994. Ende der 1990er Jahre wurden NiMH-Batterien erfolgreich in vielen vollelektrischen Fahrzeugen wie dem General Motors EV1 und dem Dodge Caravan EPIC Minivan eingesetzt. ⓘ

Diese Generation von Elektroautos war zwar erfolgreich, wurde aber abrupt vom Markt genommen. ⓘ

Im Oktober 2000 wurde das Patent an Texaco verkauft, und eine Woche später wurde Texaco von Chevron übernommen. Die Chevron-Tochter Cobasys liefert diese Batterien nur an große OEM-Aufträge. General Motors stellte die Produktion des EV1 mit der Begründung ein, dass die mangelnde Verfügbarkeit von Batterien ein Haupthindernis darstelle. Die Kontrolle von Cobasys über NiMH-Batterien führte zu einer Patentbelastung für große NiMH-Autobatterien. ⓘ

Eigenschaften

Einschränkungen

NiMH-Akkus reagieren empfindlich auf Überladung, Überhitzung, falsche Polung, Tiefentladung (Stromentnahme bis zur nahezu vollständigen Erschöpfung der Ladekapazität) oder Tiefentladung mit Umpolung, wie sie z. B. bei in Reihe geschalteten Zellen auftreten kann. Die dabei mögliche Abnahme der Kapazität lässt sich auch durch besondere Maßnahmen wie vollständiges Entladen (bis auf 1 V unter Last) oder gar wiederholtes Laden und Entladen nicht wieder rückgängig machen – das hat sogar den negativen Effekt, dass sich die Lebensdauer aufgrund der beschränkten Zahl möglicher Ladezyklen verringert. Zum Erreichen der Solllebensdauer von typischerweise 500 Ladezyklen (entsprechend zehn Jahren bei wöchentlicher Ladung) ist ein intelligentes Ladegerät unentbehrlich. ⓘ

NiMH-Akkus sind nicht für den Betrieb bei Temperaturen unterhalb von 0 °C geeignet. Bereits in der Nähe des Gefrierpunktes weisen sie durch die Verringerung der Beweglichkeit der Elektronen einen deutlich höheren Innenwiderstand auf, durch den die Spannung unter Last einbricht und nur geringe Ströme (Leistungen) entnehmbar sind. Unterhalb von −10 °C bricht die Leistungsfähigkeit ein. Bei Temperaturen über 50 °C sind sie nicht mehr ladbar. ⓘ

Anstelle des besonders bei älteren NiCd-Akkus relevanten Memory-Effektes kommt es bei NiMH-Akkus nach häufigen Teilentladungen zum Batterieträgheitseffekt, einem Abfall der erzielbaren Entladespannung, der aber weitgehend reversibel ist. ⓘ

Vergleich mit anderen Akkumulatoren-Typen

Bei kleinen Bauformen beherrschte zunächst der Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd-Akku) den Markt, der als erster die nur einmal nutzbare Batterie ersetzen konnte. Nachdem dieser von NiMH-Akku verdrängt wurde, hat der leistungsfähigere und inzwischen preislich akzeptable Lithium-Ionen-Akkumulator die Marktführerrolle übernommen. NiMH-Akkus mit der schwierigeren Ladeschlusserkennung spielen bei Neuprodukten abnehmend nur noch bei geringem Energiebedarf im Bereich von Micro (AAA) und Mignon (AA) Zellen eine Rolle. Die früher verbreiteten Formate Baby (C) und Mono (D) sind fast vollständig vom Markt verschwunden. ⓘ

NiMH-Akkus bieten im Vergleich zu NiCd-Akkus bei gleicher Spannung ungefähr die doppelte Energiedichte und verdrängten sie weitgehend. In bestimmten Anwendungen und Bauformen wie den Mignonzellen sind sie mit einem EU-weiten Handelsverbot belegt. NiMH-Akkus kommen ohne Cadmium aus, das giftige Schwermetall. ⓘ

NiMH-Akkus haben aber auch Nachteile gegenüber NiCd-Akkus: geringere Zyklenfestigkeit, geringerer maximaler Lade- und Entladestrom, kleinerer Temperaturbereich und geringere Robustheit gegen minderwertige Ladeverfahren oder Tiefentladung sowie schwierigere Ladeschlusserkennung. Jedoch sind sie robuster als Lithium-ionen-Kraftzellen. ⓘ

Funktionsweise

Batterieträgheitseffekt

Der Batterieträgheitseffekt (oder englisch lazy battery effect) bezeichnet eine vor allem NiMH-Akkus betreffende Leistungsminderung und einen geringen Abfall um 50 mV bis 100 mV bei der erzielbaren Entladespannung. Diese fällt nicht (wie beim vor allem NiCd-Akkus betreffenden Memory-Effekt) weit vor Erreichen der Nennlademenge plötzlich stark ab, sondern bleibt über den gesamten Entladevorgang etwas geringer als bei einer gesunden Zelle. Die entnehmbare Ladungsmenge (abgegebene Stromstärke mal Zeit) ist jedoch fast gleich. ⓘ

Dazu führen verschiedene Ursachen wie Dauerladung oder Lagerung, weniger eine ständige Teilentladung. Beim praktischen Einsatz macht der Effekt nur dann Probleme, wenn von Geräten höhere Mindestspannungen benötigt werden oder wenn z. B. Digitalkameras recht empfindlich auf eine zu geringe Spannung reagieren, den Akku zu früh als „entladen“ annehmen und sich dann abschalten, um vermeintlich Tiefentladung zu vermeiden. ⓘ

Eine schwedische Forschergruppe entdeckte 2018, dass sie den Alterungsprozess von NiMH-Akkus durch Zugabe von Sauerstoff fast vollständig verhindern können: Er stellt das verlorene Elektrodengleichgewicht wieder her und ersetzt den verlorenen Elektrolyten bei diesen Akkus problemlos, da sich alle Zellen den gleichen Gasraum teilen. ⓘ

Der Batterieträgheitseffekt ist reversibel: Er kann durch etwa fünf vollständige Lade- und Entladezyklen mit einem geeigneten Ladegerät wieder beseitigt werden. (Zunächst Voll-Entladung mit Strom von ca. 1/10 C/h bis auf ca. 0,9 V unter Last. Für die anschließende Voll-Ladung werden höhere Ladeströme von 0,5 bis 1 C/h empfohlen.) ⓘ