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  _ Nickel/Cadmium-System

(Sekundärsystem)
Ni, Cd, NiOOH, KOH, Cd(OH)2
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Andere Bezeichnungen   Ni/Cd, NiCd-Akku, Nickelakkumulator, NC-Akku, nickel/cadmium-system.

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Anwendung   Gasdichte Nickel-Cadmium Akkumulatoren werden vorwiegend als Gerätebatterien verwendet. Sie kommen als Knopfzellen, Rundzellen und in Form prismatischer Batteriepacks in den Handel.
Daneben gibt es prismatische Batterien in offener Bauweise, die wegen ihrer hohen Leistung und Kapazität vorwiegend in Notstromaggregaten und als Starterbatterie in der Luftfahrt eingesetzt werden.
Ni/Cd-Batterien werden mit Kapazitäten von 10 mAh (Knopfzelle) bis >300 Ah (offene Bauweise) gefertigt.

Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen:
(Hilfe Formeln)

    Entladen -->
Laden ¬
 
Negative Elektrode: Cd0 + 2OH- ¬-->
Cd2+(OH)2 + 2e-
Positive Elektrode: 2 Ni3+OOH + 2H2O + 2 e- ¬-->
2 Ni2+(OH)2 + 2 OH-
Summe: Cd + 2 NiOOH + 2 H2O ¬-->
Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2

Als Elektrolyt wird Kalilauge mit einer Dichte von 1,19 – 1,30 g/cm3 verwandt. Höhere Konzentrationen bewirken eine größere Entladekapazität bei verringerter Lebensdauer.
Gegen Ladeschluß überschreitet die Zelle die Gasungsspannung von 1,55 bis 1,6 V/Zelle und es beginnt bei offenen Zellen eine Überladereaktion bei der aus dem in der Elektrolytlösung enthaltenen Wasser, Wasserstoff- und Sauerstoffgas erzeugt wird, der entweicht:

Negative Elektrode:
4H+2O + 4e- -->
2H02 + 4OH- (H2-Entwicklung)

Positive Elektrode:
4O2-H- -->
2H2O2- + O02 + 4e- (O2-Entwicklung)

Gesamtreaktion:
2H2O -->
2H2 + O2 (Knallgas)

Bei offenen Zellen muß der Verlust an Wasser von Zeit zu Zeit durch Nachfüllen von destilliertem Wasser ausgeglichen werden.
Zur Vermeidung der Gasentwicklung sind gasdichte Zellen sind mit einer überdimensionierten negativen Elektrode ausgestattet. Überschüssiges Cd dient als negative Entladereserve. Zusätzlich enthält die positive Elektrode einen Anteil Cd(OH)2 als "Antipolare Masse". Bei Überladung stellt sich ein Gleichgewicht zwischen O2-Druck und O2-Verbrauch ein. Das Potential bleibt konstant und es wird kein H2-Gas entwickelt. Das zersetzte Wasser bildet sich durch Rekombination zurück.
Weiterentwickelte gasdichte Faserstruktur-Ni/Cd-Zellen enthalten spezielle Faserstruktur-Rekombinationselektroden. Der entwickelte Sauerstoff gelangt über den Gasraum zur Rekombinationselektrode und wird an der katalytischen Oberfläche so schnell rekombiniert, dass sich im Betrieb ein leichter Unterdruck einstellt. Schnellladung ist möglich.

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Technische Daten  
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%


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Besonderheiten   Die Viskosität der Elektrolytlösung fällt stark mit der Temperatur ab. Bei tiefen Temperaturen und großen Lade/Entladeströmen können durch verminderte Diffusion Dichteunterschiede eintreten, die Potentialabfall und lokales Einfrieren bewirken.
Memory-Effekt: Ni/Cd-Zellen können u.a. durch wiederholte Teilentladung eine 2. Entladestufe entwickeln, die um 120 mV tiefer liegt. Es scheint, dass sich die Zelle daran erinnert vorher nur eine Teilkapazität abgegeben zu haben. Ursache ist die Kornvergröberung des Cadmiums und Bildung einer intermetallischen Phase der Zusammensetzung Ni5Cd21. Zur Beseitigung des Memory-Effektes muss die Zelle zunächst tiefentladen und anschließend mit Nennstrom und doppelter Ladezeit aufgeladen werden. Dadurch werden die aktiven Massen wieder vollständig aufgeladen.
Selbstentladung: Abhängig von Bauart und Temperatur. Bei – 20 °C ca. 1% pro Monat. Bei Raumtemperatur ca. 15% Kapazitätsverlust /Monat, bei 45°C ca. 80% in den ersten drei Monaten, danach ca. 3% / Monat.
Bauarten: Vielfältige, dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßte Bauweisen. Neben den offenzelligen Batterien mit flüssiger Kalilauge werden gasdichte Zellen mit Überladeschutz hergestellt. Diese Batterien sind lageunabhängig und werden mit einer max. Spannung von 1,55  V geladen. Geschlossene Batterien sind wartungsfrei, da beim Laden kein Wasserverlust auftritt. Neuere Batterien enthalten Sinter- oder Faserstrukturelektroden. Letztere können in einer Stunde geladen werden.
Vorteile des Systems: Zuverlässig, langlebig, robust, tiefentladefähig, lange Standzeit im entladenen Zustand, auch bei tiefen Temperaturen entladefähig, Schnellladung bei bestimmten Bauarten möglich.

Nachteile des Systems:
Die Cadmiumbelastung der Umwelt in den Industriestaaten stammt weitgehend aus der Deponierung verbrauchter NiCd-Akkus. Das giftige Cadmium bildet lösliche Verbindungen und gelangt so ins Grundwasser. Trotz der Einführung der Batterieverordnung (BattV) im Jahr 1998 mit einer Rückgabepflicht der Verbraucher und einer Rücknahmepflicht der Hersteller ist die Rücklaufquote bei den kleineren Haushaltsbatterien schlecht. Die Europäische Union erwägt daher gegenwärtig die Produktion von NiCd-Akkus ab 2008 zu verbieten.
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Adresse   Ansprechpartner:
Dr. Jens Tübke
Tel.: (0721) 4640-343
Fax: (0721) 4640-111
 

Fraunhofer Institut für Chemische Technologie

Joseph-von-Fraunhofer-Str. 7
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