Was ist eine Nickel-Metallhydrid-Batterie?
Nickel-Metallhydrid-Batterien sind wiederaufladbare Batterien, die eine Wasserstoffspeicherlegierung für die negative Elektrode und Nickelhydroxid für die positive Elektrode verwenden.
Im Vergleich zu Nickel-Cadmium-Batterien, die ebenfalls Nickel für die positive Elektrode verwenden, sind Nickel-Metallhydrid-Batterien teurer, weil sie eine Wasserstoffspeicherlegierung anstelle von Cadmium verwenden, aber sie können mit einem hohen Strom geladen und entladen werden und haben eine große Kapazität pro Masseneinheit.
Außerdem weisen sie im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batterien einen relativ geringen Memory-Effekt auf (der Effekt eines Spannungsabfalls beim Entladen, wenn die Batterie wiederholt aufgeladen wird, ohne vollständig entladen zu sein) und können wiederholt ohne Leistungseinbußen verwendet werden.
Anwendungen von Nickel-Metallhydrid-Batterien
Nickel-Metallhydrid-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Leistung und langen Lebensdauer in Autobatterien, Laptops und Trockenzellen eingesetzt, wo hohe Leistung und Zuverlässigkeit gefragt sind.
In den letzten Jahren haben sich Lithium-Ionen-Batterien durchgesetzt, die keinen Memory-Effekt und keine Selbstentladung aufweisen und eine höhere Kapazität pro Masseneinheit sowie eine höhere Betriebsspannung haben. Aufgrund ihrer besseren Input-Output-Eigenschaften und Produktionskosten werden sie jedoch weiterhin in Kombination verwendet.
Funktionsweise der Nickel-Metallhydrid-Batterien
1. Zusammensetzung von Nickel-Metallhydrid-Batterien
Eine Nickel-Metallhydrid-Batterie besteht aus Elektroden (positive Elektrode: Nickel-Oxyhydroxid, negative Elektrode: Wasserstoffspeicherlegierung), einem Separator wie z. B. Olefin-Vliesstoff und einer Kaliumhydroxidlösung als Elektrolyt. Bei Trockenbatterien befinden sich diese gewickelten Strukturen in einer Dose.
2. Lade- und Entladereaktionen in Nickel-Metallhydrid-Batterien
Bei der Entladung einer Nickel-Metallhydrid-Batterie nimmt Nickel-Oxyhydroxid an der positiven Elektrode in Gegenwart von Wasser Elektronen auf, wobei Nickelhydroxid und Hydroxidionen entstehen. An der Anode werden Wasserstoffionen und Elektronen aus der Wasserstoffspeicherlegierung in Anwesenheit von Hydroxidionen freigesetzt, wobei Wasser entsteht.
Bei der Entladung läuft die Reaktion in umgekehrter Richtung ab: An der Kathode reagieren die Hydroxidionen mit Nickelhydroxid zu Nickeloxydroxid und setzen Elektronen frei. An der Anode wird Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen adsorbiert.
Das Laden und Entladen einer Nickel-Metallhydrid-Batterie erfolgt durch eine einfache Reaktion, die die Adsorption von Wasserstoff und die Bildung von Wasser beinhaltet. Blei-Säure-Batterien, wie sie beispielsweise in Autobatterien verwendet werden, werden durch eine Ausscheidungs-Auflösungsreaktion der Elektroden geladen und entladen, so dass wiederholtes Laden und Entladen unweigerlich zu einer Verschlechterung der Elektroden führt. Da Nickel-Metallhydrid-Batterien diesen Degradationsprozess nicht durchlaufen, können sie semi-permanent verwendet werden, solange die Elektroden selbst sich nicht verschlechtern, und können daher als Batterien mit einer langen Lebensdauer bezeichnet werden.
3. Elektroden von Nickel-Metallhydrid-Batterien
In der Vergangenheit wurden Co-Legierungen hauptsächlich als Wasserstoffspeicherlegierung für die negative Elektrode verwendet, um eine hohe Kapazität zu erreichen, aber es gab eine Entwicklung hin zu Co-freien Elektroden, hauptsächlich aus Kostengründen. Forschung und Entwicklung haben zur Entwicklung von Wasserstoffspeicherlegierungen mit hoher Kapazität geführt, sogar Co-frei. Was die Kathode betrifft, so ist Nickeloxid im geladenen Zustand sehr leitfähig, während Nickelhydroxid im entladenen Zustand ein Isolator ist, was zu Problemen wie dem Verlust von Elektronenbahnen während der Entladung führt. Aus diesem Grund werden Kobalt-Sauerstoffhydroxid oder andere Materialien hinzugefügt, um die Leitfähigkeit zu gewährleisten.
Weitere Informationen über Nickel-Metallhydrid-Batterien
Merkmale von Nickel-Metallhydrid-Batterien
1. Batterieeigenschaften
Die Nennspannung einer Nickel-Metallhydrid-Batterie beträgt 1,2 V und entspricht damit derjenigen einer Nickel-Cadmium-Batterie. Dies liegt daran, dass die Reaktionen beim Laden und Entladen ähnlich sind. Die Nennspannung von Blei-Säure-Batterien liegt bei 2,0 V und die Nennspannung von Lithium-Ionen-Batterien bei 3,7 V, so dass es sich um Batterien mit relativ niedriger Spannung handelt. Da diese Batterien problemlos eine hohe Stromstärke übertragen können, werden sie in Geräten eingesetzt, die eine hohe Leistung erfordern, wie z. B. in Hybridfahrzeugen.
Nickel-Metallhydrid-Batterien haben einen Memory-Effekt (der Effekt, dass durch wiederholtes Aufladen die Spannung der Batterie sinkt, wodurch die verfügbare Kapazität verringert wird) und einen Inertisierungseffekt. Die Kenntnis der Batterieeigenschaften trägt dazu bei, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.
2. Sicherheit
Grundsätzlich werden Batterieexplosionen und Brandunfälle durch Funken aus Kurzschlüssen verursacht, die die organischen Lösungsmittel im Elektrolyten entzünden.
Das Lösungsmittel im Elektrolyt einer Nickel-Metallhydrid-Batterie ist Wasser, so dass es sich selbst bei einem Funkenschlag nicht entzündet. Folglich müssen die Mechanismen zur Strom- und Spannungsregelung nicht so streng ausgelegt werden wie bei Lithium-Ionen-Batterien, was die Produktionskosten senkt. Diese niedrigeren Kosten sind einer der Gründe, warum Nickel-Metallhydrid-Batterien in der Industrie immer noch weit verbreitet sind.
3. Umweltauswirkungen
Lithium-Ionen-Batterien, Blei-Säure-Batterien und Nickel-Cadmium-Batterien enthalten gefährliche Stoffe mit hohen Umweltauswirkungen (z. B. ist Cadmium in Nickel-Cadmium-Batterien ein Erreger der Itai-Itai-Krankheit, einer der vier wichtigsten umweltbedingten Krankheiten). Die Umweltauswirkungen der Bestandteile von Nickel-Metallhydrid-Batterien sind jedoch geringer als die dieser Batterien und der Elektrolyt ist frei von organischen Lösungsmitteln. Der Elektrolyt ist ebenfalls frei von organischen Lösungsmitteln, was ihn zu einer umweltfreundlichen Speicherbatterie macht.