Nickel-Cadmium-Akkumulator

Einleitung

Grundlegendes zum Nickel-Cadmium-Akkumulator ist an anderer Stelle im Internet bereits mehrfach gut dokumentiert. Hier soll eine Informations- und Linksammlung entstehen.

Vergleich mit anderne Akkutechnologien:

http://batteryuniversity.com/learn/article/cycle_performance_of_nicd_nimh_and_li_ion

NiCd ist eine sehr langlebige Akkutechnologie sowohl bezogen auf Zyklenzahl als auch auf die Standzeit. NiCd-Akkus sind deutlich weniger temperaturempfindlich als andere Akkutechnologien wie insbesondere Bleiakkus. Die Zyklenzahl nimmt bei steigender Temperatur weniger drastisch ab (eher linear als umgekehrt exponentiell wie bei Blei) und die Kapazität bei niedrigen Temperaturen fällt nicht so stark ab.

Grundlagen

Nickel-basierte Akkumulatorentypen haben ähnliche Eigenschaften, am nächsten verwandt sind Nickel-Eisen und Nickel-Cadmium Chemie. Nickel-Metallhydrid hat viele Eigenschaften der beiden erstgenannten Chemien. http://batteryuniversity.com/learn/article/nickel_based_batteries

Es ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen sogenannten nassen oder offenen NiCd-Zellen und geschlossenen bzw gasdichten. Sie unterscheidet die Toleranz von Misshandlung. Offene Zellen sind, zumindest in der allgemeinen Auffassung, "nahezu unzerstörbar". Tiefentladung ist unkritisch bis 0 V, Überladung ist unkritisch solange Wasser nachgefüllt wird. Verderb der Lauge durch Fremdstoffe wie aus Sauerstoff gebildetem Carbonat kann ausgetauscht werden.

Gasdichte Zellen können bei Überladung "zerkochen" bzw. über längere Zeit austrocknen, da bei Öffnen des Sicherheitsventils Gas entweicht und kein Wasser nachgefüllt werden kann. Sie enthalten eine minimale Menge Elektrolyt, das die Poren der Elektroden und des Separators benetzt. Wäre die Zelle "geflutet" also von Elektrolyt komplett gefüllt, wäre eine Rekombination der Gase nicht schnell genug möglich. Auf diese Weise entsteht im normalen Betrieb kein Druckanstieg durch Gase. https://www.google.de/patents/US3051768?dq=sealed+cadmium+electrolyte http://www.batteryexperts.eu/faq/faqans1.html

Das Problem von Tiefentladung bei gasdichten Zellen scheint unter anderem oder vor allem der Druckanstieg dabei zu sein, und letztendlich Elektrolytverlust durch Gasung. Dies kann umgangen werden. https://www.google.de/patents/US4142025?dq=sealed+cadmium+electrolyte

Ladung

Allgemeines zur Ladung: http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_nickel_based_batteries

"Bis 70 % Ladung ist der Ladewirkungsgrad sehr gut, darüber beginnt die Gasung und verschlechtert den Ladewirkungsgrad. Schnelles Laden verbessert den Wirkungsgrad. Bei 1 C beträgt dieser 1,1 oder 91 Prozent, und die Ladezeit von ganz leer auf voll liegt bei etwas über einer Stunde. Mit einer Laderate von 0,1 C sinkt der Wirkungsgrad auf 1,4 oder 71 Prozent, und die Ladezeit beträgt 14 Stunden."

"Bis zu einem Ladezustand von 70 Prozent nimmt ein NiCd-Akku nahezu 100 Prozent des angebotenen Ladestromes auf. Mit dem hohen Ladewirkungsgrad treten nur geringe Energieverluste auf und der Akku bleibt somit kalt. Der Ladestrom kann sogar einige C-Raten betragen, ohne dass nennenswerte Erwärmungen auftreten. Superschnelle Lader nutzen dieses Phänomen aus und laden den Akku in wenigen Minuten auf 70 Prozent auf." (http://www.batteryexperts.eu/faq/faqans1.html)

Oberhalb von 70 % Ladung könnte man auch von gezielter Überladung des Akkus zu Kapazitätssteigerung reden. Wie auch Zyklen-Tests mit verschiedenen Lade-/Entladetiefen zeigen, ist es vorteilhaft, nicht die ganze spezifizierte Kapazität zu nutzen. https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0013468600003443-gr4.gif

Offene nasse Zellen können praktisch nicht überladen werden bei regelmäßiger Wasserzufuhr. Ausgleichsladung erfolgt bis 1,7 V/Zelle.

Gasdichte Zellen sollten nicht so weit geladen werden. Die genaue Spannung ist temperaturabhängig und liegt bei 1,55 V/Zelle. Intelligente Ladegeräte erkennen den durch Gasung verursachten Temperaturanstieg und schalten ab. "Dumme" Ladegeräte laden nach Zeit, dafür muss der Ladezustand der Zelle bekannt sein, meist muss sie vorher leer sein. Zellenpacks aus gasdichten Zellen sollten von Zeit zu Zeit trotzdem gezielt überladen werden um die Zellen auszugleichen, jedoch vorsichtig und nicht in dem Maß wie bei nassen Zellen.

Entladung

Die Entladespannung fällt rasch von 1,3 V auf 1,2 V ab und fällt dann langsam. Bei etwa 1 V ist nur noch sehr wenig Restkapazität in den Zellen, bei Reihenschaltung (Zellenpacks) sollte abgeschaltet werden um Umpolung einzelner Zellen zu vermeiden.

NiCd Akkus profitieren aber von einer kompletten Entladung von Zeit zu Zeit. Um Umpolung zu vermeiden, sollten die Zellen einzeln entladen werden, auf z.B. 0,5 V oder auf 0 V. http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_restore_nickel_based_batteries

Lagerung

NiCd Akkus sollten nicht voll geladen werden, um Dendritenbildung mit Separatorperforation und folglich erhöhter Selbstentladung und Kurzschluss zu vermeiden.

Pflege und Regeneration elektrisch

http://www.anu-co.com/Manuals/Saft/Block%20Battery%20Technical%20Manual.pdf http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_restore_nickel_based_batteries

Regenerieren von gasdichten Zellen durch Nachfüllen

Die Hauptursache des Kapazitätsverlustes von gasdichten Zellen ist nach meiner These Gas- also Wasserverlust. Durch Anbohren der Zelle und Nachfüllen von Wasser müsste sich dies beheben lassen. Nach der Herstellung werden NiCd Akkus formiert, also mehrmals geladen. Dazu werden die gasdichten Zellen mit Elektrolyt gefüllt, und nach erfolgter Formierung umgedreht und geladen. Überschüssiges Elektrolyt fließt ab, bis die Gasrekombination ausreicht um den Gasdruck konstant zu halten.

Man muss lediglich die Menge Nachfüll-Wasser finden, bei der gerade noch kein Elektrolyt heraustropft. Danach das Bohrloch wieder verschließen (Epoxyd laugenbeständig o.Ä.). Mit zwei Löchern könnte man die Zelle auch komplett mit neuem Elektrolyt spülen.

Selbstbau

Zum Thema Nickel Eisen Zelle: http://www.saers.com/recorder/craig/TurquoiseEnergyNews/TENews58.html