Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) – Leistung und Performance für tragbare elektronische Geräte wie Handys, Laptops und Digitalkameras.

Geschichte

Nachfolger der Ni-Cd-Technologie.

Die NiMH-Batterie wurde 1986 von Stanford Ovshinsky, dem Gründer von Ovonics, bei der Erforschung von Wasserstoffspeichermaterialien patentiert. Ovshinsky bezeichnete die NiMH-Batterie in Analogie zu den Li-Ionen-Batterien auch als "Wasserstoff-Ionen"- oder "Protonen"-Batterie, da die elektrochemische Reaktion der NiMH-Batterie die Übertragung und "Einlagerung" von h+ beinhaltet. Die Komponenten von NiMH-Batterien umfassen eine Anode aus wasserstoffabsorbierenden Legierungen (MH), eine Kathode aus Nickelhydroxid (Ni(OH)2) und einen Kaliumhydroxid (KOH)-Elektrolyten.

Die Nickel-Metallhydrid-Batterietechnologie (Ni-MH) ist der Nachfolger der Ni-Cd-Technologie (Nickel-Cadmium), die für wiederaufladbare und tragbare Geräte verwendet wird. Nickel-Metallhydrid gibt es als Standardbatterien für gängige Anwendungen sowie als hochmoderne Hochtemperaturbatterien, die bei hohen Umgebungstemperaturen und unter anspruchsvollen Bedingungen hervorragende Zuverlässigkeit bieten. Die Batterien sind speziell auch solarbetriebene Anwendungen, Kraftfahrzeuge und Elektrowerkzeuge konzipiert. 

Es handelt sich um eine verbesserte Version des Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd), die eine höhere Energiedichte und einen geringeren Memory-Effekt bietet. Die NiMH-Batterie besteht aus einer positiven Elektrode, die aus Nickelhydroxid besteht, einer negativen Elektrode, die aus Metallhydrid besteht, und einem alkalischen Elektrolyt.

Die Nickel-Metallhydrid-Technologie wurde in den 1970er und 1980er Jahren entwickelt. Ähnlich wie bei NiCd wird bei NiMH eine positive Elektrode (die Kathode) auf Nickelbasis verwendet - Nickeloxidhydroxid. Die negative Elektrode (die Anode) besteht aus einer wasserstoffabsorbierenden Legierung, die eine viel höhere Energiedichte als NiCd aufweist. NiMH erzeugt eine nominale Zellenspannung von 1,2 V und kann daher in vielen Fällen als Ersatz für NiCd eingesetzt werden.

NiMH-Batterien waren ein willkommener Bestandteil der raschen Kommerzialisierung von Mobiltelefonen und Laptop-Computern in den späten 1980er und 1990er Jahren. Obwohl die Technologie im Vergleich zu NiCd dramatische Verbesserungen bot, hat NiMH mehrere entscheidende Schwachstellen, die sie anfällig für den Ersatz durch neuere Technologien wie Lithium-Ionen machten.

NiMH hat eine sehr hohe Selbstentladungsrate, was bedeutet, dass eine voll geladene Batterie bis zu 30 % ihrer Ladung pro Monat verlieren kann. Dies kann zu Problemen in der Lieferkette führen, da die Batterien bereits vollständig entladen sein können, wenn sie beim Endverbraucher ankommen. NiMH-Akkus können auch nach längerer Lagerung bei niedrigem Ladezustand dauerhaft an Kapazität verlieren.

Mit dem Fortschritt der Mobiltelefontechnologie und der Entwicklung immer kleinerer Handys hatten die Hersteller von NiMH-Zellen Schwierigkeiten, mitzuhalten, da die Herstellung einer dünnen NiMH-Zelle aufgrund der Probleme, die relativ steifen Elektroden in immer kleinere Dosen zu wickeln, sowohl schwierig als auch teuer ist. Als die Mobiltelefone dünnere Batterien als die AAA-Batterien mit einem Durchmesser von 10 mm verlangten, hatten die Zellenhersteller Schwierigkeiten, zuverlässige, kostengünstige Prismazellen herzustellen, und Lithium-Ionen-Produkte eroberten mit ihren dünneren Profilen und ihrer höheren Energiedichte schnell den Markt.

Ni-MH-Batterien werden hauptsächlich bei der Herstellung von Hybridfahrzeugen (Hybrid Electric Vehicles, HEVs) verwendet. Im Jahr 2000 belief sich die Gesamtproduktion von kleinen Ni-MH-Batterien in Japan auf bis zu 1 Milliarde Stück. China war eines der wenigen Länder, die sich frühzeitig an der Entwicklung von Ni-MH-Batterien beteiligten. Seit 1995 hat China eine Reihe von Produktionsstätten für die Großproduktion von Ni-MH-Batterien aufgebaut, wie die Tianjin Peace Bay Company, die Shenyang Sanpu Company usw. China steht heute bei der Produktion von Ni-MH-Batterien weltweit an erster Stelle. Im Jahr 2017 basierten 85 % der börsennotierten HEVs auf Ni-MH-Batterien; angesichts der rasanten Marktentwicklung von HEVs wird jedoch intensiv geforscht, um die Energiedichte von Ni-MH-Batterien und ihre Zyklusdauer zu verbessern.

Vorteile

Umweltfreundlich und sicher.

Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) sind eine Art von wiederaufladbaren Batterien, die eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Batterien bieten. Sie sind kleiner und leichter als herkömmliche Batterien und eignen sich daher besser für tragbare elektronische Geräte wie Handys, Laptops und Digitalkameras. Sie haben auch eine höhere Energiekapazität als herkömmliche Batterien und können Hunderte von Malen wieder aufgeladen werden, was sie zu einer wirtschaftlichen Wahl für den langfristigen Gebrauch macht. Darüber hinaus sind sie umweltfreundlicher als herkömmliche Batterien, die giftige Substanzen enthalten.

Vorteile auf einen Blick:

- 30-40% höhere Energiedichte als NiCd
- in vielen Fällen ein vollwertiger Ersatz für NiCd
- weniger anfällig für den Memory-Effekt als NiCd
- einfach zu transportieren
- umweltfreundlicher als NiCd, (kein Cadmium, Quecksilber oder Blei)
- hohe Energiedichte (W/kg), etwa 50 % besser als Nicads, aber nur etwa 60 % von Lithiumionen.
- niedrige interne Impedanz, wenn auch nicht so niedrig wie bei NiCads
- typische Lebensdauer: 3000 Zyklen.
- kann tief zykliert werden (80% bis 100% DOD)
- mit NiMH-Batterien wurden mehr als 3000 Zyklen bei 100 % Entladetiefe (DOD) nachgewiesen. Bei geringeren Entladetiefen, z. B. bei 4 % DOD, kann mit mehr als 350.000 Zyklen gerechnet werden.
- robust - NiMH-Batterien tolerieren auch Überladungs- und Überentladungsbedingungen, was die Anforderungen an das Batteriemanagement vereinfacht.
- flache Entladecharakteristik (fällt aber am Ende des Zyklus schnell ab)
- breiter Betriebstemperaturbereich
- Schnellladung in 1 Stunde möglich
- Erhaltungsladung ist bei NiMH-Batterien normalerweise nicht möglich, da eine Überladung zu einer Verschlechterung der Batterie führen kann. Ladegeräte sollten daher mit einem Timer ausgestattet sein, um ein Überladen zu verhindern.
- wegen des möglichen Druckaufbaus durch Gasbildung sind sie in der Regel mit einem wiederverschließbaren Entlüftungsventil ausgestattet.
- Rekonditionierung ist möglich
- viel sicherer als Lithiumzellen im Falle eines Unfalls oder Missbrauchs aufgrund der Verwendung unschädlicherer aktiver Chemikalien, eine besonders wichtige Eigenschaft bei Hochleistungsanwendungen und in der Automobilindustrie.

Nachteile

Neigung zu Memory-Effekt.

NiMH-Batterien neigen dazu, ihre Ladung schnell zu verlieren, wenn sie nicht benutzt werden, was sie für eine langfristige Lagerung ungeeignet macht. Außerdem haben sie eine kürzere Gesamtlebensdauer als herkömmliche Batterien und sind in der Anschaffung teurer. Schließlich neigen sie zum "Memory-Effekt", d. h. sie können an Kapazität verlieren, wenn sie vor dem Wiederaufladen nicht vollständig entladen werden.

Nachteileauf einen Blick:

- begrenzte Lebensdauer im Vergleich zu NiCd
- schlechtere Speicherleistung
- komplexe Laderegime
- höhere Selbstentladung als NiCd
- geringe Anzahl von Zellgrößen - insbesondere bei prismatischen Zellen
- geringere Energiedichte als LiIon 

Unzulänglichkeiten

- hohe Selbstentladungsrate.
- kann unbegrenzt gelagert werden, entweder voll aufgeladen oder voll entladen
- Memory-Effekt, wenn auch nicht so ausgeprägt wie bei NiCad-Batterien
- Die Batterie verschlechtert sich bei langfristiger Lagerung. Dieses Problem kann durch mehrmaliges Laden und Entladen des Akkus vor der Wiederverwendung gelöst werden. Diese Rekonditionierung dient auch dazu, die Probleme des "Memory"-Effekts zu überwinden.
- Entladung mit hoher Rate nicht so gut wie bei NiCads
- weniger tolerant gegenüber Überladungen als NiCads
- wie bei NiCads müssen die Zellen mit Sicherheitsentlüftungen ausgestattet sein, um die Zelle im Falle einer Gasentwicklung zu schützen.
- der coulombische Wirkungsgrad von Nickel-Metallhydrid-Batterien könnte bis zu 85 % betragen, liegt aber in der Regel nur bei etwa 65 % und nimmt ab, je schneller die Ladung erfolgt, obwohl sich dies voraussichtlich verbessern wird.
- auch wenn die Batterie eine hohe Kapazität hat, steht sie nicht unbedingt voll zur Verfügung, da sie je nach Anwendung nur bis zu 50 % DOD die volle Leistung liefert.
- die Zellenspannung beträgt nur 1,2 Volt, was bedeutet, dass viele Zellen erforderlich sind, um Hochspannungsbatterien zu bilden. Die konkurrierenden Lithiumzellen haben in der Regel die dreifache Zellenspannung (3,2 Volt bis 3,7 Volt) und eine viel höhere Energiedichte.
- geringere Kapazität und Zellspannung als alkalische Primärzellen.
- begrenzte Vorräte des Seltenerdelements Lanthan, hauptsächlich in China.

Neben den wesentlichen Leistungszielen (Energie, Leistung, Lebensdauer und Betriebstemperaturen) haben flexible Fahrzeugverpackungen, die einfache Anwendung in Serien- und Serien-/Parallelschaltungen, die Sicherheit, der wartungsfreie Betrieb, die schnelle und kostengünstige Aufladung sowie umweltverträgliche und wiederverwertbare Materialien die Vorrangstellung von Ni-MH-Batterien begründet. Trotz der kontinuierlichen Fortschritte bei der Leistung von Ni-MH-Batterien müssen gängige Probleme wie Kapazitätsverschlechterung beim Zyklusbetrieb aufgrund von Legierungspulverisierung und Korrosion sowie eine hohe Selbstentladung infolge der Zersetzung des aktiven Materials noch weiter verbessert werden. Ni-MH-Batterien haben zwar immer noch den Vorteil, dass sie sicher in der Anwendung sind, aber die Konkurrenz durch preiswerte Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Leistung stellt eine große Bedrohung für den Ersatz von Ni-MH-Batterien dar. Wenn nicht in naher Zukunft ein weiterer Sprung in der Entwicklung der Ni-MH-Batterie zu verzeichnen ist, sowohl in Bezug auf die elektrochemische Leistung als auch auf die Kosten, wird erwartet, dass die Lithium-Ionen-Batterie die Ni-MH-Batterie in vielen Anwendungen nach und nach ersetzen wird.

Funktionsprinzip NiMH

Wasserstoffabsorbierenden Legierungen.

Nickel-Metallhydrid-Batterien bestehen aus einer positiven Platte, die Nickelhydroxid als wichtigstes aktives Material enthält, einer negativen Platte, die hauptsächlich aus wasserstoffabsorbierenden Legierungen besteht, einem Separator aus feinen Fasern, einem alkalischen Elektrolyt, einem Metallgehäuse und einer Verschlussplatte, die mit einer selbstschließenden Sicherheitsentlüftung versehen ist.

Die Funktionsweise von NiMH-Zellen beruht auf ihrer Fähigkeit, Wasserstoff aufzunehmen, abzugeben und zwischen den Elektroden innerhalb der Zelle zu transportieren (zu bewegen). Die NiMH-Batterietechnologie beruht auf den wasserstoffabsorbierenden Legierungen aus seltenen Erden (gemeinhin als Mischmetalle bekannt), die in der negativen Elektrode verwendet werden. Diese Metalllegierungen tragen zu der hohen Energiedichte der negativen NiMH-Elektrode bei, die zu einer Vergrößerung des für die positive Elektrode verfügbaren Volumens führt. Dies ist der Hauptgrund für die höhere Kapazität und die längere Lebensdauer von NiMH-Batterien gegenüber konkurrierenden Sekundärbatterien.

Chemische Reaktion beim Aufladen und Entladen.

Bei Ni-MH-Batterien ist die Chemie an der positiven Elektrode die gleiche wie bei der Ni-Cd-Batterie. Das negative aktive Material ist im geladenen Zustand Wasserstoff in Form eines Metallhydrids. Beim Laden und Entladen der Batterie kommt es zu einer reversiblen Wasserstoff-Absorptions-Desorptions-Reaktion. Der Elektrolyt ist wässriges Kaliumhydroxid mit einem Zusatz von Lithiumhydroxid, um die Ladeeffizienz der positiven Elektrode zu verbessern, indem die Sauerstoffentwicklung reduziert wird. Fast alle Ni-MH-Batterien sind verschlossen.

Wie bei allen Batterietypen mit wässrigem Elektrolyt muss der Ladestrom am Ende des Ladevorgangs und während der Überladung kontrolliert werden, um die Sauerstoffentwicklung zu begrenzen und unter der Rekombinationsrate zu bleiben. Bei Ni-MH-Batterien hat die negative Elektrode eine höhere Kapazität als die positive, um sowohl eine Überladung als auch eine Überentladung zu bewältigen.

Wenn eine NiMH-Zelle geladen wird, gibt die positive Elektrode Wasserstoff an den Elektrolyten ab. Der Wasserstoff wiederum wird von der negativen Elektrode absorbiert und gespeichert. Die Reaktion beginnt, wenn sich das Nickelhydroxid in der positiven Elektrode und das Hydroxid aus dem Elektrolyten verbinden. An der negativen Elektrode reagieren die Metalllegierung in der negativen Elektrode, Wasser aus dem Elektrolyten und ein Elektron, um Metallhydrid in der negativen Elektrode und Hydroxid im Elektrolyten zu erzeugen. Da während des Ladens einer NiMH-Zelle Wärme als Teil der chemischen Gesamtreaktion erzeugt wird, ist die oben beschriebene Ladereaktion exotherm. Während des Ladens einer Zelle darf sich die erzeugte Wärme nicht akkumulieren, wenn sie effektiv abgeleitet wird. Extrem hohe Temperaturen können auftreten, wenn eine Zelle übermäßig überladen wird.

Bei der Entladung einer NiMH-Zelle laufen die chemischen Reaktionen umgekehrt ab wie bei der Ladung. Der in der Metalllegierung der negativen Elektrode gespeicherte Wasserstoff wird in den Elektrolyten abgegeben und bildet Wasser. Dieses Wasser setzt dann ein Wasserstoffion frei, das von der positiven Elektrode absorbiert wird und Nickelhydroxid bildet.

Ladeeigenschaften.

Das Laden bzw. Wiederaufladen von NiMH-Batterien (sowohl Zellen als auch Batteriesätze) ist der Vorgang, bei dem die aus der Batterie entnommene oder entladene Energie ersetzt wird. Die Leistung der Batterie sowie die Lebensdauer der Zyklen hängen von einer effektiven Ladung ab. Die drei Hauptkriterien für effektives Laden sind:
- Wahl der geeigneten Laderate
- Auswahl der geeigneten Ladeabschlusstechnik
- Kontrolle der Temperatur

Laderaten.

Da die Kapazität von NiMH-Zellen gestiegen ist, hat sich auch die Nachfrage nach schnellerem Laden erhöht. Dies führt zu höheren Ladegeschwindigkeiten, was eine sorgfältige Planung erfordert, um eine vollständige Ladung zu gewährleisten und gleichzeitig die möglichen Schäden einer Überladung zu minimieren. Langsames Laden ist immer noch eine zuverlässige Methode, aber nicht alle Batterien können langsam geladen werden, ohne dass es zu einem Abbruch kommt. Einige NiMH-Zellchemien haben höhere Kapazitäten und eignen sich besser für die beliebteren Schnelllademethoden.

Ladeabbruch.

Die ordnungsgemäße Steuerung des Ladevorgangs einer NiMH-Batterie ist entscheidend für das Erreichen einer optimalen Leistung. Zur Ladesteuerung gehört ein angemessener Ladeabschluss, um ein Überladen der Batterie zu verhindern. Die Überladung einer Batterie bezieht sich auf den Zustand, in dem die Batterie die ihr zugeführte Energie nicht mehr aufnehmen (speichern) kann. Infolgedessen bauen sich Druck und Temperatur innerhalb der Zelle auf. Wenn eine Zelle im Überladezustand verbleibt, insbesondere bei hohen Ladegeschwindigkeiten, kann der in der Zelle erzeugte Druck durch die Sicherheitsentlüftung im Pluspol entweichen. Dies kann zu einer Beschädigung der Batterie führen und die Lebensdauer und Kapazität verringern.

Um Schäden an der Batterie zu vermeiden, ist die Ladungsbeendigung eines der wichtigsten Elemente, die bei jeder Methode der Ladungssteuerung angewendet werden müssen. Bei der Ladesteuerung können eine oder mehrere der folgenden Ladeschluss-Techniken eingesetzt werden. Die drei Haupttechniken der Ladungsbeendigung sind Zeit, Spannung und Temperatur.

Überladung.

Nickel-Metallhydrid-Zellen sind mit einem Mechanismus zur Sauerstoffrekombination ausgestattet, der den durch Überladung verursachten Druckaufbau verlangsamt. Die Überladung einer Zelle tritt ein, wenn die positive Elektrode kein Nickelhydroxid mehr hat, das mit dem Hydroxid des Elektrolyten reagieren kann, und Sauerstoff entwickelt wird. Der Sauerstoff diffundiert durch den Separator, wo die negative Elektrode den Sauerstoff mit dem gespeicherten Wasserstoff rekombiniert, um überschüssiges Wasser im Elektrolyten zu bilden. Wenn diese Sauerstoff-Rekombination langsamer erfolgt als die Sauerstoffentwicklung an der positiven Elektrode, kommt es zu einer Anhäufung von überschüssigem Sauerstoff, was zu einem Druckanstieg in der Zelle führt. Zum Schutz vor den ersten Stufen der Überladung sind NiMH-Zellen so konstruiert, dass die negative Elektrode eine größere Kapazität (oder aktives Material) aufweist als die positive Elektrode. Dies trägt dazu bei, den Druckaufbau zu verlangsamen, da mehr aktives Material in der negativen Elektrode zur Verfügung steht, um den entstandenen Sauerstoff effektiv zu rekombinieren.

Übermäßiges Überladen einer NiMH-Zelle kann zu einem dauerhaften Verlust der Kapazität und der Zykluslebensdauer führen. Wenn eine Zelle bis zu dem Punkt überladen wird, an dem sich Druck aufbaut, treten erhöhte Temperaturen auf, die dazu führen können, dass der Separator Elektrolyt verliert. Der Verlust von Elektrolyt im Separator (oder "Separator-Dry-Out") behindert den ordnungsgemäßen Transport von Wasserstoff zu und von den Elektroden. Wenn eine Zelle stark überladen ist und übermäßige Mengen an Sauerstoff (Gas) entwickelt werden, kann der Druck durch die Sicherheitsentlüftung im Pluspol abgelassen werden. Dadurch werden Elemente aus dem Inneren der Zelle entfernt, die für eine ordnungsgemäße Funktion erforderlich sind. Um sich vor den schädlichen Auswirkungen einer Überladung zu schützen, müssen geeignete Ladeanschlüsse verwendet werden.

Leistungsvermögen und Nenn-Kapazität.

Die maximale Rate, die eine Zelle für einen kurzen Burst erreichen kann, hängt von der Zellkonstruktion, der Temperatur und der Art und Weise ab, wie sie zu einem Pack zusammengesetzt ist. Die Entladeeigenschaften von NiMH-Batterien (sowohl Zellen als auch Akkupacks) hängen von vielen Faktoren ab. Zu diesen Faktoren gehören Kapazität, Spannung, Entladerate, Entladeschluss (oder Spannungsabschaltung), Anpassung (der Zellen innerhalb eines Akkupacks), Innenwiderstand und Temperatur.

Die Nennspannung einer Nickel-Metallhydrid-Zelle beträgt 1,2 V, die Leerlaufspannung liegt zwischen 1,25 und 1,35 V. Die Entladeschlussspannung oder Endspannung beträgt 1 V. Die Betriebstemperatur einer Standard-Nickel-Metallhydrid-Zelle liegt zwischen 0 °C und +40 °C. Der Betrieb von Nickel-Metallhydrid-Batterien bei hohen Temperaturen beeinträchtigt die Leistungsmerkmale der Batterien. Die Leistung der Batterien ist bei hohen Temperaturen aufgrund des erhöhten Innenwiderstands noch geringer als bei niedrigen Entladetemperaturen. In ähnlicher Weise sind die Auswirkungen der Temperaturveränderung bei hohen Entladungsraten stärker ausgeprägt.

Ingenieure und Konstrukteure sind in der Regel am meisten daran interessiert, wie lange eine Batterie den Strom liefert, der für den Betrieb einer Anlage oder eines Geräts benötigt wird. Die Länge der Zeit ist direkt proportional zur Kapazität der Batterie und der Entladungsrate. Die Kapazität, definiert als C, ist der elektrische Strominhalt einer Batterie, ausgedrückt in Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh). Die Kapazität einer Batterie wird bestimmt, indem die Batterie mit einem bekannten konstanten Strom entladen wird, bis eine vorbestimmte Endspannung erreicht ist. Die Zeit, die benötigt wird, um eine Batterie bis zur Endspannung zu entladen, multipliziert mit der Stromstärke, mit der die Batterie entladen wurde, ergibt die Nennkapazität der Batterie. Eine Batterie hätte also eine Nennkapazität von 1500 mAh, wenn sie mit einer Stromstärke von 150 mA bis zu einer Endspannung von 1,0 Volt pro Zelle entladen würde und 10 Stunden lang entladen wäre.

Zur Verdeutlichung wird die Stromstärke (Ladung oder Entladung), die einer Batterie zugeführt wird, oft in Bezug auf die Nennkapazität C einer Batterie definiert. Zum Beispiel werden bei einer Batterie mit einer Nennkapazität von 1500 mAh, die mit einer Rate von C/2 (oder 0,5C) entladen wird, 750 mAh pro Stunde aus der Batterie entladen. Eine Entladerate von C/2 einer 1500-mAh-Batterie beträgt also 750 mA.

Eines der größten Missverständnisse in Bezug auf NiMH-Zellen ist, dass die Nennkapazität die Kapazität ist, die der Benutzer erhält. Dies wäre nur dann der Fall, wenn der Benutzer mit denselben Stromstärken laden und entladen würde, für die die Zelle eingestuft wurde.

Die Nennkapazität wurde von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) in Dokument Nr. 61436.1.3.4 als eine Ladung mit einer Stromstärke von 0,1 C über einen Zeitraum von 16 Stunden definiert. Danach erfolgt eine Entladung mit 0,2C bis zu einer Spannung von 1,00V pro Zelle. Diese Zahl kann jedoch manchmal durch maximale, typische und minimale Zellenwerte verwirrt werden. So kann beispielsweise ein Posten von 1000 Zellen zwischen 1000 mAh und 850 mAh liegen. Die maximale Kapazität wäre dann 1000, auch wenn nur ein kleiner Teil der Zellen diese Kapazität erreicht. Die Nennkapazität würde 900 mAh betragen, und die Mehrheit der geprüften Zellen würde diese Kapazität erreichen. Alle diese Zellen müssen dem Minimum von 850 mAh entsprechen.

Die Ergebnisse, die beim Testen von NiMH-Batteriepacks auf ihre Kapazität erzielt werden, können sich je nach Schwankungen bezüglich Temperatur, Laderate, Entladerate, Anzahl der Zellen im Pack oder Anstieg der Abschaltspannung pro Zelle erheblich ändern.

Akkupacks - Lithium versus NiMH

NiMH im im Vergleich zu NiCd- und Blei-Säure-Batterien.

Kundenspezifische Akkupacks mit Lithiumzellen können sowohl eine hohe Spannung als auch eine hervorragende Kapazität liefern, was zu einer außergewöhnlich hohen Energiedichte führt. Viele Anwendungen, wie Mobiltelefone, medizinische Geräte, Elektrofahrzeuge und andere, erfordern eine so hohe Energiedichte, dass nur die Lithiumchemie in Frage kommt. Für viele Anwendungen sind jedoch kundenspezifische Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) kostengünstiger. Sowohl in der Entwicklung als auch in der Herstellung - und sie bergen nicht die potenziellen Gefahren, die mit Lithiumprodukten verbunden sind.

Die Technologie der NiMH-Batterien wurde aufgrund ihrer hohen Energiedichte (im Vergleich zu NiCd und Blei-Säure), ihrer Umweltfreundlichkeit, ihrer guten Zykluslebensdauer und ihrer guten Sicherheits- und Zuverlässigkeitsbilanz entwickelt. NiMH-Akkus benötigen nicht das komplexe Batteriemanagementsystem, das bei Lithiumbatterien unerlässlich ist. Dennoch verlängern Batteriemanagementsysteme die Lebensdauer von NiMH-Akkus und sie liefern die gleichen Informationen wie bei einem komplexen Lithium-Akku.

Welches sind die besten Anwendungen für NiMH-Batteriepacks?

NiMH-Batteriepacks eignen sich für die meisten Anwendungen, bei denen ein hoher Energieverbrauch und -bedarf besteht. Sie eignen sich auch für Anwendungen als Backup-Stromquelle, bei denen die NiMH-Batterien über ein BMS (Batterie Management System) verfügen, um das Laden und Entladen zu steuern und so die Lebensdauer des Batteriepacks zu verlängern.

Entladen sich NiMH-Batterien nicht selbst und neigen zum Memory-Effekt?

Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) entladen sich selbst um 1 % pro Tag, wenn sie in einem Gerät mit niedrigem Energieverbrauch oder im Standby-Betrieb verwendet werden. Es ist bekannt, dass sie dem Memory-Effekt unterliegen. Mithilfe einer kostengünstigen BMS-Technologie kann man ein System entwickeln, das die Batterie mit einer Erhaltungsladung (Ladegeschwindigkeit von weniger als 0,025 C (C/40) ) auflädt, um sicherzustellen, dass der Akku immer seine maximale Kapazität erreicht und die negativen Auswirkungen einer Überladung reduziert.

Hält ein NiMH-Akku so lange wie ein Lithium-Akku?

Wenn ein NiMH-Akku wiederholt überladen wird, bilden sich kleine Kristalle auf den Elektroden, die ihre Fähigkeit, sich vollständig aufzuladen, beeinträchtigen, wodurch die Spannung des Akkus sinkt. Eine Unterladung kann zu einer geringen Lebensdauer führen, während eine Überladung zu einem Verlust der Lebensdauer führen kann. Die Lösung für dieses Problem ist ein Batterie Management System (BMS), das den Ladevorgang so steuert, dass eine Überladung und Beschädigung der Batterie zu 100 % ausgeschlossen werden kann.

Die meisten Low-End-Ladegeräte verwenden rudimentäre Timer, anstatt die Spannung aktiv zu überwachen, um zu bestimmen, wann der Ladestrom abgeschaltet werden soll. Für NiMH-Batterien wird in der Regel ein intelligentes Ladegerät mit moderater Ladegeschwindigkeit (2 bis 3 Stunden) bevorzugt. Extrem schnelles Laden (weniger als 1 Stunde) kann sich auf die Lebensdauer der Batterie auswirken und sollte auf eine bedarfsorientierte Basis beschränkt werden.

Benötigt ein Gehäuse für NiMH-Batteriepacks eine ähnliche Entlüftung wie bei der Lithiumchemie?

Die primären Gase, die aus der Nickel-Metallhydrid-Batterie austreten, wenn sie einer übermäßigen Überladung oder Überentladung ausgesetzt sind, sind Wasserstoff und Sauerstoff. Das Gehäuse der Batterie sollte nicht luftdicht sein sondern belüftet werden. Die Isolierung der Batterie von wärmeerzeugenden Komponenten und die Belüftung um die Batterie herum verringern ebenfalls die thermische Belastung der Batterie und erleichtern die Entwicklung geeigneter Ladesysteme.

Braucht es wirklich ein BMS für NiMH-Akkupacks?

Grundsätzlich eigentlich nicht. NiMH-Batterien gehören jedoch zu den Batterien, die am schwierigsten genau zu laden sind, und da die BMS-Lösungen sehr kosteneffektiv sind, sollte ein solches System integriert werden. Die Ladung von NiMH-Batterien basiert auf der Erzwingung von Strom durch die Batterie, während bei Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien eine Überladung durch die Einstellung einer maximalen Ladespannung kontrolliert werden kann. Daher verlängert eine elektronische Sicherung die Gesamtlebensdauer des Akkus.

Was ist der Unterschied zwischen NiMH und Lithium bei den Gesamtkosten und der Größe der Batteriepacks?

Die großen Unterschiede sind durch die beiden unterschiedlichen chemischen Systeme bedingt: zum einen sind das die Kosten, zum andern die Grösse.

Die Kosten: NiMH kostet in der Produktion weniger als 50 % im Vergleich zu einer Lithiumbatterie und weniger als 75 %, wenn es um die Entwicklung geht. Obwohl NiMH einige regulatorische und andere Entwicklungsschritte erfordert, sind die Kosten immer noch deutlich niedriger als bei Lithium.

Größe: Lithiumzellen sind leichter und kleiner als Nickel-Metallhydrid-Zellen (NiMH), allerdings haben Lithiumzellen nur eine durchschnittliche Kapazität von 1500 mAh im Vergleich zu den 2200 mAH von NiMH-Zellen.

Anwendungen.

Breiter Einsatzbereich.

Die NiMH-Batterie kann in verschiedenen Formen, wie Knopfzellen, prismatischen Zellen und zylindrischen Zellen, und in verschiedenen Größen hergestellt werden. Die Eigenschaften der NiMH-Batterie ermöglichen einen breiten Einsatzbereich, und sie wird sich zu einem der führenden wiederaufladbaren Batteriesysteme entwickeln.

Anwendungen auf einen Blick:

- Elektrische Rasierapparate
- Zahnbürsten
- Kameras
- Camcorder
- Handys
- Pager
- Medizinische Instrumente und Geräte
- Autobatterien
- Statische Anwendungen mit hoher Leistung (Telekommunikation, UPS und intelligente Stromnetze).

Ursprünglich waren NiMH teurer als NiCad-Zellen, aber die Preise haben sich inzwischen angeglichen, da die NiMH-Volumina steigen und die Verwendung von giftigen Zellen auf Cadmiumbasis veraltet ist. Heute machen die Kosten der NiMH-Zellen etwa die Hälfte der Kosten von Lithium-Ionen-Batterien aus.

Aufgrund des gleichen Spannungswertes wie bei der NiCd-Batterie können alle Geräte, die NiCd verwenden, NiMH als Stromquelle nutzen. Infolgedessen wird die NiMH-Batterie zunehmend in einer breiten Palette von elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Camcordern, Rasierapparaten, Transceivern, Computern und anderen tragbaren Anwendungen eingesetzt. Ein weiterer Nischenmarkt, der sich für NiMH-Batterien eignet, sind Elektrowerkzeuge, die eine hohe Entladeleistung über einen großen Temperaturbereich erfordern.

Die NiMH-Batterie verfügt über eine attraktive Energiedichte, eine hohe Leistungsfähigkeit und eine gute Zykluslebensdauer, was sie zu einer wettbewerbsfähigen Wahl für EV- und HEV-Anwendungen macht, die sich im ersten Jahrzehnt des 21. Die Kommerzialisierung von HEV-Autos durch Toyota und Honda, die NiMH-Batterien verwenden, der Wunsch nach einer Verbesserung der Umwelt und die Sorge um die Ressourcen fossiler Brennstoffe haben weltweit zu einem starken Anstieg bei der Entwicklung verschiedener batteriegestützter Fahrzeuganwendungen geführt. Ein wichtiges Thema für die Nutzer tragbarer Elektronik, EV- und HEV-Anwendungen, ist die Einschätzung des Ladezustands der Batterie (SOC), die nützliche Informationen für die Verwaltung des Batteriesystems liefern kann, z. B. wie viel Energie in der Batterie gespeichert ist, wie viel Laufzeit noch verbleibt, bevor sie wieder aufgeladen werden muss, welche Auflade- oder Entladerate angewendet werden kann usw.

Daher wurde eine Art "Tankanzeige" erwartet, und es wurden verschiedene Verfahren zur Messung des Ladezustands der Batterie vorgeschlagen. Im Allgemeinen zeigen die Erfahrungen mit NiMH-Zellen, dass aufgrund der Flachheit des Spannungsplateaus unter normalen Bedingungen die Spannungsmessung nicht zur genauen Bestimmung des SOC verwendet werden kann. Die Coulometrie ist jedoch eine gute Technik zur Messung des SOC. Mit einer sorgfältigen Anfangskalibrierung, einer angemessenen Kompensation der Umgebungsbedingungen, einer ausgeklügelten Verfolgung des Ladungsflusses und einer Schätzung der Selbstentladungsverluste lassen sich Vorhersagen des SOC mit mäßiger Genauigkeit treffen.

Die hohe Entladungsrate und die schnelle Wiederaufladefähigkeit der NiMH-Batterie machen sie auch zu einem Kandidaten für die Kombination mit Brennstoffzellen, Solarzellen und anderen Batterien oder Verbrennungsmotoren, um Spitzenlasten zu bewältigen oder Strom zu liefern, wenn die Hauptstromquelle nicht ausreicht oder nicht verfügbar ist.

Elektroautos und Hybridfahrzeuge.

Nickel-Metallhydrid-Batterien werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, so auch in Hybrid- und Elektrofahrzeugen sowie in anderen Transportanwendungen wie Gabelstaplern und Golfwagen. Nickel-Metallhydrid-Batterien bieten eine hohe Energiedichte, eine geringe Selbstentladung und eine gute Lebensdauer. Außerdem sind sie umweltfreundlicher als andere wiederaufladbare Batterietypen. Daher werden Nickel-Metallhydrid-Batterien aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Leistung immer beliebter.

Ni-MH-Batterien scheinen eine weit verbreitete kommerzielle Lebensfähigkeit zu haben und bieten unter den verschiedenen nickelbasierten Batterien erhebliche Möglichkeiten für Verbesserungen. Ni-MH-Batterien scheinen die Technologie der Wahl für Anwendungen wie Hybridelektroautos, neu entstehende EVs und Brennstoffzellen-EVs zu sein. Mit den Fortschritten der Ni-MH-Batterien in den letzten Jahrzehnten wurden Prototypen von Ni-MH-Batterien mit einer spezifischen Energie von über 100 Wh/kg entwickelt, während die spezifische Leistung von 150 auf über 1000 W/kg gestiegen ist.

NiMH-Batterien waren und sind teilweise noch immer die vorherrschende Technologie in Elektro- und Hybridfahrzeugen und wurden von den großen Herstellern mit erheblichen Investitionen bedacht. Der größte Vorteil aus Sicht der Hersteller ist die Sicherheit von NiMH-Batterien im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien, und bisher wurden in der Presse keine Zwischenfälle gemeldet. Darüber hinaus werden NiMH-Batterien aufgrund ihrer Flexibilität bei der Konstruktion (z. B. von 30 mAh bis 250 Ah), ihrer Umweltverträglichkeit, ihres geringen Wartungsaufwands, ihrer hohen Leistungs- und Energiedichte, ihrer Kosten und vor allem ihrer Sicherheit (im Lade- und Entlademodus, insbesondere bei hohen Spannungen) in industriellen und privaten Anwendungen bevorzugt.

Die NiMH-Technologie hat sich seit mehr als 10 Jahren bewährt und sie reicht für die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs aus. Der Betriebstemperaturbereich für NiMH-Zellen wurde auf über 100 °C (-30 °C bis + 75 °C) erweitert, was weit über den Temperaturbereich hinausgeht, der derzeit von Lithium-Zellen erreicht wird und die NiMH-Technologie ideal für den Einsatz in Kraftfahrzeugen macht. NiMH-Zellen können die für Elektrofahrzeuge typischen hohen Leistungen erbringen, die aktiven Chemikalien sind von Natur aus sicherer als Lithiumzellen und NiMH-Batterien benötigen keine komplexen Batteriemanagementsysteme (BMS), wie sie bei Lithiumbatterien erforderlich sind.

NiMH-Batterien haben derzeit einen Preis von 83 bis 530 US-Dollar pro kWh (Chen, Jin, Zhao, Liu & Cui, 2018); daher schwankt der Gesamtpreis des Batteriepakets für ein Hybridfahrzeug (z. B. Toyota Prius, obwohl die neueren Modelle 5,2 kWh Li-Ionen-Batteriepakete verwenden) zwischen 600 und 2200 US-Dollar pro Fahrzeug.

Märkte

Was Sie sehen, ist was Sie bekommen

Die Umstellung von NiCd auf NiMH in Mobiltelefonen erfolgte relativ schnell, vor allem wegen der höheren Energiedichte. Nur wenige Jahre später wurde die Verwendung von NiMH-Zellen in Mobiltelefonen durch Lithium-Ionen-Zellen (Kobaltoxid und Polymer) abgelöst, die eine weitaus höhere Energiedichte und ein dünneres Gehäuse boten. Da der Markt für NiMH-Zellen für Mobiltelefone rapide schrumpfte, entwickelten die Zellenhersteller die Technologie für Hochleistungsanwendungen wie professionelle schnurlose Elektrowerkzeuge und Hochtemperaturanwendungen wie Notbeleuchtung.

Heute ist der Markt für NiMH-Zellen in tragbaren elektronischen Anwendungen so gut wie tot, aber die Technologie hat Erfolg in Hybrid-Elektrofahrzeugen und den oben erwähnten schnurlosen Elektrowerkzeugen. Die meisten Zellenhersteller sind dabei, die Anzahl der von ihnen hergestellten Zellengrößen zu rationalisieren, und es findet eine Konsolidierung zwischen den Herstellern statt, da sie sich an den schrumpfenden Markt anpassen. Die NiMH-Zellen Technologie ist nach wie vor beliebt für Anwendungen, bei denen die höhere Energiedichte von Lithium-Ionen nicht erforderlich ist oder bei denen eine spezielle Leistung benötigt wird.