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Artikel aus Mobile Times 2
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Artikel aus Mobile Times 2
Um seinen Akku richtig zu pflegen, sollte man auch wissen, wie er aufgebaut ist, denn es ist nicht egal, ob es sich um eine chemische Batterie oder um einen Stromspeicher handelt. Und bei letzterem kommt es darauf an, ob es dabei um ein Kraftpaket auf Basis Nickelkadmium, Nickel-Metallhydrid oder um Lithium-Ionen-Technologie geht.
In der ersten Folge hatten wir ein wenig die chemischen Grundlagen gestreift, und sind auch auf die Volta'sche Säule eingegangen. Diese hatte allerdings einige Nachteile: Erstens überzieht der bei der Reaktion entstehende Wasserstoff die Elektroden als dünne Schicht und unterbindet so die weitere Reaktion, und zweitens reagieren die Metalle auch, wenn kein Strom entnommen wird.
Die Lösung der obengenannten Probleme fand ein Franzose, der die besonderen Eigenschaften des Braunsteins nützte, eines natürlich vorkommenden Manganoxyds der Formel MnO2. Dieses Oxyd führt elektrochemische Reaktionen sowohl in saurem als auch basischem Milieu durch, was einige Vorteile bietet, und zwar insbesondere, dass bei basischen Reaktionen kein Wasserstoff frei wird, der die weiteren Reaktionen behindern könnte.
Da aber Braunstein - im Unterschied zu metallischen Elektroden, wie sie bei anderen galvanischen Elementen verwendet werden - den elektrischen Strom nicht leitet, benötigt man eine leitende Elektrode, die durch einen Kohlestift realisiert wird. Als Gegenelektrode kommt ein Zinkblech und als Elektrolyt Ammoniak zur Anwendung.
Da die beiden Elektroden des Le Clanché-Elements Zinkblech und ein Stück Kohle sind, nennt man dieses Element auch Zink-Kohle-Batterie - ein Element, das jedem aus dem täglichen Gebrauch vertraut ist, da es heute die meistverwendete Batterie-Art darstellt.
Die Wiederverwertung, heutzutage neumodisch «Recycling» genannt, ist genau betrachtet kein wirklich neuer Gedanke. Denn schon im vorigen Jahrhundert waren nicht alle mit den vorhandenen galvanischen Elementen zufrieden. Zwar entstanden im Laufe der Erforschung der Elektrochemie jede Menge verschiedene Elemente wie das Weston-Element, das La Lande-Element, das Bunsen-Element oder das Chromsäure-Element, doch hatten alle dies eine gemeinsam: Sie gewannen die elektrische Energie durch den nicht umkehrbaren Verbrauch chemischer Energie. Dies erfordert für die praktische Nutzung, dass man verschiedene Metalle in reiner Form gewinnt, was selbst mit Energieaufwand und Kosten verbunden ist, und daher wirtschaftlich nicht in allen Fällen tragbar ist.
Ein weiteres Thema war schon damals die Energiedichte der Elemente, also die Frage wie schwer ein Stromlieferant ist, der eine bestimmte Energiemenge enthält. Denn solange eine Batterie nur in stationärem Einsatz verwendet wird, ist es fast egal, wie schwer sie ist, doch wenn man mobil wird, ist das Gewicht oft ein entscheidender Punkt.
Diese Frage trat damals natürlich in etwas anderem Rahmen auf: Zur Zeit der ersten selbstgetriebenen Kutschen (vulgo Automobil) waren Verbrennungsmotoren etwa gleich leistungsfähig wie Elektromotoren. Nur war Benzin leichter als Elektrizität zu transportieren. Zwei wiederaufladbare galvanische Elemente traten damals auf den Plan - eines davon ist heute noch in Benutzung, das andere wurde durch einen besseren Nachfolger verdrängt. Diese neuartigen, wiederaufladbaren Elemente bekamen natürlich einen eigenen Namen: «Akkumulator».
Das eine Element ist der Bleiakku, den man auch heute in vielen Anwendungen wie im Automobil oder in elektrischen Rollstühlen findet. Faszinierend am Bleiakku ist, dass beide Elektroden aus Blei bestehen, jedoch zwei völlig unterschiedliche Reaktionen durchführen. Dies ist primär dadurch möglich, dass Blei als Element der vierten Hauptgruppe die stabilen Oxydationsstufen +II und +IV kennt, wodurch PbSO4 sowohl oxydiert, als auch reduziert werden kann.
Der Hauptvorteil dieses Elementes ist, dass es billig und zuverlässig ist - ein Grund, warum es auch heute noch breite Anwendung findet. Der Nachteil ist das Gewicht: Von allen heute verwendeten Akkus hat der Bleiakku die geringste Energiedichte oder anders ausgedrückt: Wenn man eine bestimmte Energiemenge transportieren will, muss man beim Bleiakku das grösste Gewicht spazierenführen.
Dieses Problem trat natürlich besonders zum Vorschein, als man daran ging, mobile elektrische Applikationen zu erfinden. Und auch der grösste Erfinder dieser Zeit machte sich darüber seine Gedanken: Thomas Alva Edison. Denn die vielfältigen Anwendungen des elektrischen Stroms waren sein Hauptbetätigungsfeld, wenn man zum Beispiel an die Glühbirne oder den Phonographen denkt. Doch auch das Automobil bot damals noch vielfältige Betätigungsmöglichkeiten, da Fahrzeuge mit Dampfantrieb, Benzinmotor und Elektromotor um die Vorherrschaft rangen.
Wir wissen heute, dass sich die Benzinkutschen durchgesetzt haben, da sie nach den damaligen technischen Möglichkeiten das beste Preis-/Leistungs-Verhältnis boten (auch heute ist die Reichweite und das Gewicht der Batterien das grösste Problem von Elektroautos), doch damals war dieses Gefecht noch nicht entschieden, sondern in vollem Gange.
Edison erkannte bald, was die primäre Einschränkung des Elektroautos darstellte, und ging daran, einen Akkumulator mit höherer Energiedichte zu entwickeln. Bei seinen systematischen Experimenten mit den verschiedensten Substanzen stiess er auf eine basische Redox-Reaktion von Nickel und Eisen, die vielversprechende Resultate zeigte.
Zwar ist beim Edison-Akku die Entladespannung niedriger als beim Bleiakku, und auch die Stromausbeute - also wieviel der Elektrizität, die man zum Aufladen benötigt, man wieder zurückbekommt - ist niedriger, doch ist die Energiedichte höher, so dass das Elektroauto bei gleich schwerer Batterie weiter fahren kann. Leider war es nicht weit genug, denn das Rennen haben die Herren Benz, Daimler und Diesel gewonnen.
Der Edison-Akku hatte aber einen Nachfolger, der ab den 50er Jahren dieses Jahrhunderts in die praktische Anwendung kam.
Die Überlegung war, unter Beibehaltung des Reaktionsmechanismus das Eisen durch ein anderes Element zu ersetzen, und dabei die Energiedichte zu steigern.
Die Lösung wurde mit Cadmium gefunden. In der Folge besteht die positive Elektrode aus gesintertem Nickelhydroxyd und die negative Elektrode aus Cadmium.
Zwar ist die Zellenspannung geringer als beim Edison-Akku, doch wird dies durch die höhere Energiedichte wieder wettgemacht. Da der Nickel-Cadmium-Akku von allen modernen Akkus am längsten eingeführt ist, zeichnet er sich auch durch die grösste Verbreitung aus. Zudem hat er auch gegenüber neueren Akkus höherer Energiedichte einige praktische Vorteile.
Der NiCad-Akku (eigentlich müsste er NiCd heissen, aber NiCad hat sich als leichter sprechbares Kürzel halt eingebürgert)
Doch bei allen Vorteilen hat der NiCd-Akku natürlich auch Nachteile. Einer davon ist der vielerwähnte Memory-Effekt, der im allgemeinen für jedes Batterieversagen verantwortlich gemacht wird. Der Begriff Memory rührt daher, dass frühe NiCd-Akkus sich daran erinnerten, wieviel Entladung bei früheren Zyklen nötig war, wenn sie immer über den gleichen Zeitraum beansprucht wurden. Dieses Phänomen ist heutzutage gänzlich eliminiert und lässt sich nur noch im Labor mit Spezialgeräten nachweisen.
Was heute als Memory bezeichnet wird, ist in Wahrheit kristalline Reformation. Jedes Metall besteht aus mehr oder weniger grossen Kristallen, die man bei manchen Stahlblechen sogar sehen kann. Welche Eigenschaften ein Metall nun hat, beruht hauptsächlich auf der Kristallstruktur, warum zum Beispiel Eisen je nach Kohlenstoffgehalt, der die Kristallstruktur unterschiedlich deformiert, als Schmiedeeisen, Stahl oder Gusseisen auftritt. Auch die Elektroden eines Akkus bestehen aus solchen Mikrokristallen, nur werden im Laufe der Reaktionen die Kristalle immer wieder aufgelöst und neu geformt.
Bei dieser kristallinen Reformation tritt nun ein Phänomen auf, dass bei der Herstellung von Silizium-Einkristallen für die Mikroelektronik sogar genützt wird: Je langsamer sich ein Kristall formt, desto grösser wird er. Wenn nun ein NiCd-Akku mit einem einfachen Gleichstrom-Ladegerät aufgeladen wird, werden im Laufe der Zeit aus vielen kleinen Kristallkörnern wenige grosse Kristallnadeln. Dadurch wird die wirksame Oberfläche der Elektrode kleiner und die Kapazität des Akkus sinkt. Im Extremfall können diese Nadeln sogar den Separator (eine dünne Membran zwischen den Elektroden, welche die Bildung von NiCd-Mischkristallen verhindert) durchdringen, wodurch die Selbstentladung des Akkus dramatisch ansteigt oder im Extremfall ein Kurzschluss eintritt.
Michael Köttl
Letzte Überarbeitung: Montag, 3. Mai 2004
Text © 1998 by Mobile Times; HTML © 2000-2004 by Mobile Times |
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