Warenkunde NiMH

[Eisbaer]

Hallo Forum,

im Folgenden habe ich einige Informationen zu NiMH-Akkus kompakt zusammengestellt. Ich hoffe, es ist für Jeden was dabei. Anregungen, Diskussionen, Fragen sind erwünscht.

Vielen Dank an Forumskollege "realive" für die QS!

Viele Grüsse
Eisbaer

[Eisbaer]

Warenkunde

Die heute gängigen 1,2V-Akkus basieren auf einer NiMH-Chemie (Nickel-Metallhydrid). Hauptvorteil gegenüber den Vorgängern mit NiCd-Chemie (Nickel-Cadmium) ist eine höhere Kapazität. Die anfänglichen Hauptnachteile (geringere Haltbarkeit bzw. Zyklenfestigkeit sowie hohe Selbstentladung) wurden durch Weiterentwicklung mittlerweile verbessert.

Aufgrund des sehr stabilen Entladeverhaltens eignen sich NiMH-Akkus sehr gut für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf. Die Spannung eines NiMH-Akkus bleibt über den nahezu gesamten Entladevorgang konstant nahe der Nennspannung. Auch bei hoher Last gibt die Spannung nur leicht nach.

Durch diese Eigenschaft lässt sich auch bei leistungshungrigen Anwendungen die volle Kapazität des Akkus nutzen. Nachteil ist allerdings, dass sich die Restkapazität statisch nicht bestimmen lässt (z.B. durch Spannungsmessung). Zudem kündigt sich die Erschöpfung des Akkus nicht langsam an, sondern erfolgt abrupt.

NiMH-Akkus sind empfindlich gegen Schwebe- und Langsamladung. Sie reagieren darauf mit Trägheit (Spannungsverminderung), ein durch geeignete Pflege (Auffrischen) allerdings reversibler Vorgang. Zudem können sie durch Überladung und Tiefentladung nachhaltig geschädigt werden.

Aktuell lassen sich zwei in der Chemie leicht unterschiedliche Varianten von NiMH-Akkus unterscheiden. Die sog. LSD-Akkus (low self discharge, z.B. Sanyo eneloop, Ansmann maxE, Varta Ready2Use) haben eine sehr geringe Selbstentladung. Die herkömmliche Variante hat eine höhere Selbstentladung, dafür aber auch eine etwas höhere Kapazität.

Laden und Entladen

Grundsätzlich steigt die Ladeeffizienz mit der Ladegeschwindigkeit bzw. dem applizierten Ladestrom, die Zelle wird dadurch aber mehr belastet. Einen guten Kompromiss stellt ein Ladestrom von 0.3C bis 1.0C dar. Das Nachladen eines teilentladenen Akkus ist generell unbedenklich, es sollte aber immer in einem Zug geladen werden. Entladung unter 1,0V und Ladeströme unter 0.1C (wie bei Langsamladung oder Schwebeladung bzw. Erhaltungsladung) fördern die Trägheit und sollten vermieden werden.

Um Trägheit ganz allgemein zu beheben, sollte der Akku regelmässig aufgefrischt werden. Im Idealfall wird er dabei im anfangs entladenen Zustand zunächst langsam vollgeladen, dann vollständig entladen und zuletzt wieder langsam vollgeladen, all dies mit jeweils 0.1C bis 0.3C.

Bei Anwendungen, die zwei oder mehr Zellen gleichzeitig nutzen, sollten immer möglichst gleichwertige Akkus verwendet werden, d.h. die Kapazitäten sollten max. 5% voneinander abweichen. Eine höhere Abweichung kann bei starker Last zu einer Schädigung der schwächsten Zelle führen, im Extremfall sogar zu einem Brand durch Überhitzung.

Ladegeräte

Eine Ladestrategie für NiMH-Akkus könnte wie folgt aussehen: Häufig genutzte Akkus lädt man spätestens bei einer Zellenspannung von 1,0V, besser 1,1V nach und frischt sie alle 20 bis 30 Ladevorgänge auf. Selten genutzte Akkus lädt man alle ein bis zwei Monate auch bei höherer Restkapazität nach und frischt sie einmal im Jahr auf.

Ein dafür geeignetes Ladegerät stellt einen Ladestrom zwischen 0.3C und 1.0C bereit, idealerweise lässt sich dieser individuell einstellen. Das Ladegerät beendet den Ladevorgang zum Zeitpunkt der Vollladung (z.B. per Minus-Delta-U-Verfahren). Diesen ermittelt es individuell für jede Zelle (sog. Einzelschachtüberwachung). Parallel erfolgt eine Temperaturüberwachung.

Das Ladegerät hat zudem einen Entladefunktion. Diese entläd mit 0.1C bis 0.3C, auch hier idealerweise individuell einstellbar, und stoppt den Entladevorgang individuell für jeden Schacht bei 1,0V Zellenspannung. Dabei ist das Ladegerät in der Lage, die gelieferte Kapazität der Zelle anzuzeigen.

Erprobte Ladegeräte, die diesen Anforderungen sehr gut genügen, sind z.B. das MH-C9000 (Hersteller MAHA, Markenname z.B. Powerex) und das BC-700 bzw. BC-900 (viele baugleiche Derivate, Markenname z.B. Technoline).

[Eisbaer]

Lagerung

Batterien und Akkus sollten an einem trockenen und kühlen Ort (idealerweise 15° C) gelagert werden, bei NiMH-Akkus liegt die Kapazität während der Lagerung idealerweise zwischen ca. 50 bis 60 %. Vor einem neuen Einsatz ist eine Prüfung auf mechanische Beschädigung und Auslaufen ratsam.

Batterien sollten nicht über die vom Hersteller garantierte Lagerdauer hinweg aufbewahrt werden. Bei Alkaline-Batterien sind dies in der Regel 5-10 Jahre, bei Lithium-Chemien 10-15 Jahre. Mehrere Jahre alte Batterien sollten nicht mehr in Batteriepacks eingesetzt werden, insbesondere bei Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf.

Was ist eigentlich dieses 1.0C?

Lade-/Entladeströme werden oft in "Bruchteilen von C" angegeben, z.B. 0.3C oder 1.0C. Die Zahl meint dabei einen Anteil bzw. Prozentsatz der Kapazität (C = capacity) des Akkus. Bei einem Akku mit einer Kapazität von 2500 mAh bedeuten also 0.3C einen Ladestrom von 750 mA, nämlich 0,3 mal 2500 bzw. 30% von 2500. 1.0C wäre im gleichen Beispiel ein Ladestrom von 2500 mA, bei einem Akku mit 1000 mAh Kapazität aber nur noch ein Ladestrom von 1000 mA.

Hinter all dem steckt die Annahme, dass die idealen Lade-/Entladeströme von NiMH-Akkus von deren Kapazität abhängig sind. Als Näherung ist das auch akzeptabel. Für das Laden/Entladen bedeutet das aber, dass nicht alle Ladegeräte für alle Akkus geeignet sind.

Batterien

Die gängigsten Batterien im 1,5V-Segment sind sog. Alkaline-Batterien mit ZnMnO2-Chemie (Zink-Manganoxid bzw. Alkali-Mangan). Die Kapazität liegt in etwa gleichauf mit NiMH-Akkus, nachteilig ist ihr instabiles Entladeverhalten. Die Spannung sinkt während des Entladevorgangs kontinuierlich, zudem gibt sie bei hoher Last sehr stark nach. Für leistungshungrige Anwendungen sind sie daher nicht gut geeignet.

Besser geeignet sind 1,5V-Lithium-Batterien mit LiFeS2-Chemie (Lithium-Eisensulfid, erhältlich z.B. als Duracell Ultra Lithium oder Energizer Ultimate Lithium, nicht zu verwechseln mit anderen Lithium-basierten Chemien, die meist eine Nennspannung von 3.0V und mehr aufweisen). Sie sind teurer als Alkaline-Batterien, nicht in allen Grössen erhältlich, haben aber eine höhere Kapazität und vor allem ein stabiles Entladeverhalten, auch bei hohen Strömen. Zudem sind sie temperaturstabiler (nutzbar bis -40° C) und länger lagerfähig (10-15 Jahre).

Zu beachten ist, dass LiFeS2-Batterien eine Leerlaufspannung von 1,8V haben. Nicht alle Anwendungen, insbesondere solche, die mehr als eine Zelle gleichzeitig nutzen, sind daher für die Verwendung dieser Batterien geeignet.

[Wulf]

Vielen Dank für die sehr interessante Einführung in das Thema.

Eine Frage, die vielleicht mehrere Eneloop-Nutzer interessiert:

Ich habe Eneloop XX Zellen, die mit 2500 mAh angegeben sind. Zudem habe ich ein BC-700 Ladegerät.
Ist es also besser, die Zellen mit 700 mA zu laden, als mit 500 mA oder gar 200 mA? (Dies sind die drei Möglichkeiten, die das BC-700 bietet.)

[max]

Wie hoch kann denn der Entladestrom aus AA-Eneloops 'dauerhaft' sein?
Gibt für die Eneloops Daten bzgl. der Temperaturabhängigkeit der nutzbaren Kapazität/Stromstärke?

Zitat von Eisbaer

NiMH-Akkus ... können ... durch ... Tiefentladung nachhaltig geschädigt werden.

Wie läuft das dann bspw. bei den in deiner Sig erwähnten AA-Zebralights?
Diese sollten doch Batterien möglichst vollständig leer machen, Akkus hingegen nicht tief entladen.

[Columbo]

Zitat von max

Wie hoch kann denn der Entladestrom aus AA-Eneloops 'dauerhaft' sein?
Gibt für die Eneloops Daten bzgl. der Temperaturabhängigkeit der nutzbaren Kapazität/Stromstärke?

Hier gibt es ein paar Entladegrafiken dazu: SANYO eneloop | Ready to use Rechargeable Battery - The only battery you will ever need

Auch zur Entladung bei extrem niedriger Temperatur, sowie zu Entladungen mit bis zu 4000mA

[Nos]

Nach Jahren des Testens im CPF sind die wesendlichen Punkte zur Eneloop:

- 3A Dauerentladung ohne dass die Spannung stark einbricht oder der Akku heiß wird (5A Pulsstrom sind auch drin)

- auch nach 3 Jahren noch min. 1900mah nutzbare Kapazität

- diverse Eneloops waren in Kinderspielzeug und wurden diverse Male auf 0V Tiefentladen und dass über Monate hinweg ohne Schaden zu nehmen.



Fazit: Es gibt noch keinen NiMh Akku der so robust und langlebig ist, wie die Eneloop und dabei die selbe performance bietet. (und teuer sind sie ja auch nicht grade)

[Eisbaer]

@Wulf:

Ja, würde ich so machen, 700 mA sind bei Deinen Zellen in etwa 0.3C. Ladegeräte mit Minus-Delta-U-Abschaltung laufen bei Ladeströmen unter 0.3C Gefahr, den Abschaltzeitpunkt nicht richtig zu erwischen und damit den Akku zu überladen.

@max:

Wenn man Entladekurven von NiMH-Akkus anschaut, ist es bei den aktuellen Zellen i.d.R. so, dass sie mit Entladeströmen ab 1.5C auch bei hoher Restkapazität und idealen Bedingungen bereits unterhalb der Nennspannung operieren. Somit könnte man 1.5 bis 2.0C als Obergrenze ansehen.

Typischerweise hat ein NiMH-Akku seine maximale Kapazität zwischen 20 und 40° C. In diesem Temperaturbereich reagiert er auch relativ unkritisch auf hohe Entladeströme (1.0C und mehr), d.h. die Spannung fällt nur moderat ab. Unter 0° C liegt die Spannung für gewöhnlich bereits bei geringer Last unterhalb der Nennspannung und sackt bei hohen Entladeströmen sogar unter 1,1 V.

Vergleiche zu beidem auch den Link von Columbo sowie hier.

Zum Entladen: Das ist immer ein Kompromiss zwischen Ausnutzung der Kapazität und Schonung des Akkus. Und ein Lampentreiber entscheidet nicht immer zugunsten des Akkus. Persönlich würde ich daher in einer Lampe generell einen Akkusatz nie bis zur bitteren Neige fahren. Übrigens erst recht nicht, wenn es eine mehrzellige Lampe ist. Und da ein Nachladen bei NIMH-Akkus kein Problem ist, gibt es auch keinen technischen Grund, das zu tun.

Viele Grüsse
Eisbaer

[Ahlon]

Hallo,
ich habe grade ein paar AAA Eneloops bekommen. 0,3C wären da ja 225mAh.
Das Ladegerät bietet ja leider nur 200mAh und dann gleich 500mAh.
Ist es jetzt besser knapp unter den 0,3C zu bleiben oder kann
ich ruhig mit 500mAh laden dami9t es etwas zügiger geht?

MFG
Sven

[Eisbaer]

Nimm ruhig 500 mA, lieber etwas mehr als etwas weniger. Selbst 700 mA (und somit kleiner 1.0C) wäre kein Problem. Diese C-Angaben muss man übrigens generell nicht streng rechnen, das sich nur Richtwerte.

Viele Grüsse
Eisbaer