Ein Blick auf die Chemie
Eine Nickel-Cadmium-Batterie verwendet Cadmium für die Anode (negative Elektrode), Nickeloxyhydroxid für die Kathode (positive Elektrode) und wässrige Kaliumhydroxidlösung als Elektrolyt.
Im Gegensatz dazu besteht eine Lithium-Ionen-Batterie aus Graphit als Anode, Lithiumoxid als Kathode und einem Lithiumsalz als Elektrolyt. Während eines Entladevorgangs bewegen sich Lithium-Ionen von der negativen zur positiven Elektrode und kehren beim Aufladen wieder zurück. Lithium-Ionen-Zellen verwenden anstelle von metallischem Lithium eine interkalierte Lithiumverbindung als Elektrodenmaterial, im Gegensatz zu Einweg-Lithium-Primärbatterien.
Umweltauswirkungen: Der große Unterschied
NiCad-Batterien enthalten zwischen 6% (industrielle Batterien) und 18% (Verbraucherbatterien) Cadmium, ein giftiges Schwermetall, das daher bei der Entsorgung besondere Vorsicht erfordert. Die Bundesregierung stuft es als gefährlichen Abfall ein. In den USA ist ein Teil des Batteriepreises eine Gebühr für die ordnungsgemäße Entsorgung am Ende ihrer Lebensdauer.
Die Bestandteile von Lithium-Ionen-Batterien sind umweltfreundlich, da Lithium kein gefährlicher Abfall ist.
Kosten: Wann lohnt sich welcher Akku?
Die Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie kostet etwa 40 Prozent mehr, da eine zusätzliche Schutzschaltung zur Überwachung der Spannung und des Stroms erforderlich ist.
Funktionsweise und Leistung: Die Stärken und Schwächen
Der größte Nachteil von Nickel-Cadmium-Batterien ist der sogenannte “Memory-Effekt”, der auftritt, wenn sie mehrmals auf den gleichen Ladezustand entladen und wieder aufgeladen werden. Die Batterie “erinnert” sich an den Punkt in ihrem Ladezyklus, an dem das Aufladen begann. Während der anschließenden Verwendung fällt die Spannung an diesem Punkt plötzlich ab, als ob die Batterie entladen wäre. Die Kapazität der Batterie nimmt jedoch nicht wesentlich ab. Einige Elektronikgeräte sind speziell so konzipiert, dass sie diese verringerte Spannung lange genug aushalten, bis die Spannung wieder normal ist. Einige Geräte können jedoch während dieser Phase mit verringelter Spannung nicht betrieben werden, und die Batterie scheint früher als normal “leer” zu sein.
Ein ähnlicher Effekt namens Spannungsdepression oder “lazy battery effect” tritt bei wiederholter Überladung auf. In diesem Fall scheint die Batterie vollständig aufgeladen zu sein, entlädt sich jedoch schnell nach einer kurzen Betriebszeit. Wenn sie gut behandelt werden, können Nickel-Cadmium-Batterien mehr als 1.000 Zyklen dauern, bevor ihre Kapazität unter die Hälfte ihrer ursprünglichen Kapazität fällt.
Ein weiteres Problem ist die Rückladung, die auftritt, wenn ein Benutzer einen Fehler macht oder wenn ein Akku aus mehreren Zellen vollständig entladen ist. Die Rückladung kann die Akkulaufzeit verkürzen. Als Nebenprodukt der Rückladung entsteht Wasserstoffgas, das gefährlich sein kann.
Wenn Nickel-Cadmium-Batterien nicht regelmäßig verwendet werden, neigen sie zur Bildung von Dendriten. Dendriten sind dünne, leitfähige Kristalle, die die Separatormembran zwischen den Elektroden durchdringen können. Dies führt zu internen Kurzschlüssen und vorzeitigem Ausfall.
Lithium-Ionen-Batterien hingegen sind wartungsarm. Sie können aufgeladen werden, bevor sie vollständig entladen sind, ohne dass ein “Memory-Effekt” entsteht, und sie funktionieren in einem größeren Temperaturbereich. Im Vergleich zu Nickel-Cadmium-Batterien ist die Selbstentladung bei Lithium-Ionen-Batterien weniger als halb so hoch, was sie für moderne Brennstoffanzeigeanwendungen besonders geeignet macht. Der einzige Nachteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass sie empfindlich sind und eine Schutzschaltung benötigen, um sicher zu funktionieren. Die Schutzschaltung ist in jedem Akkupack integriert und begrenzt die Spitzenstromspannung jeder Zelle während des Ladevorgangs und verhindert ein zu starkes Absinken der Zellspannung beim Entladen. Auch die Zelltemperatur wird überwacht, um extreme Temperaturen zu verhindern.
Größen und Typen: Welche Auswahl gibt es?
Ni-Cd-Zellen sind in den gleichen Größen erhältlich wie Alkalibatterien, von AAA bis D, sowie in verschiedenen mehrzelligen Größen. Neben einzelnen Zellen sind sie in Packs von bis zu 300 Zellen erhältlich, die häufig in Automobil- und schweren industriellen Anwendungen verwendet werden. Für tragbare Anwendungen liegt die Anzahl der Zellen unter 18. Es gibt zwei Arten von NiCd-Batterien: versiegelte und belüftete.
Lithium-Ionen-Batterien hingegen sind kleiner, leichter und liefern mehr Energie als Nickel-Cadmium-Batterien. Sie sind auch in einer Vielzahl von Formen und Größen erhältlich, darunter kleine zylindrische (fester Körper ohne Anschlüsse, wie sie in Laptop-Batterien verwendet werden), große zylindrische (fester Körper mit großen Gewindeanschlüssen), Beutel (weicher, flacher Körper, wie sie in Mobiltelefonen verwendet werden) und prismatische (halbharte Kunststoffhülle mit großen Gewindeanschlüssen, oft in Traktionsbatterien von Fahrzeugen verwendet). Beutelzellen weisen aufgrund des fehlenden Gehäuses die höchste Energiedichte auf, erfordern jedoch eine externe Form der Behälterung, um ein Ausdehnen bei hohem Ladezustand zu verhindern.
Anwendungen: Wo liegen die Stärken?
NiCad-Batterien können zu Batteriepaketen zusammengesetzt oder einzeln verwendet werden. Kleine und Miniaturzellen können in Taschenlampen, tragbaren elektronischen Geräten, Kameras und Spielzeugen eingesetzt werden. Sie können hohe Spitzenströme mit einem relativ niedrigen Innenwiderstand liefern, was sie zu einer bevorzugten Wahl für ferngesteuerte elektrische Modellflugzeuge, Boote, Autos, kabellose Elektrowerkzeuge und Kamera-Blitzgeräte macht. Größere geflutete Zellen werden für Starterbatterien von Flugzeugen, Elektrofahrzeugen und für Notstromversorgungen verwendet.
Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer Eigenschaften wie hohe Energiedichte, fehlender “Memory-Effekt” und geringer Selbstentladung bei Nichtgebrauch die beliebteste Wahl für Verbraucherelektronik. Sie werden auch in Militär-, Elektrofahrzeug- und Luft- und Raumfahrtanwendungen immer beliebter.
Quellen
- http://support.radioshack.com/support_tutorials/batteries/bt-liion-main.htm
- http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel-cadmium_battery
- http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery
