Nickel / Nickel-Cadmium-System
Entwicklungsgeschichtlich begann die Erforschung von Batteriesystemen bei denen als Elektrolyt Säuren verwendet worden sind. Erst relativ spät, in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts, arbeiteten Waldemar Jungner und Thomas A. Edison unabhängig voneinander an der Entwicklung basischer Akkumulator-Systeme unter Verwendung von Nickel als Elektrodenmaterial. Während Edison sich verstärkt dem Nickel/Eisen-System zuwandte, beschäftigte sich Jungner mit dem verwandten Nickel/Cadmium-System und brachte es 1899 zur Fertigungsreife. Dieses System besitzt trotz seines höheren Preises gegenüber dem Bleisystem eine Reihe von Vorteilen:
- lange Standzeit im entladenen oder teilentladenen Zustand
- gute Lagerfähigkeit ohne der Notwendigkeit einer Nachladung
- tiefentladefähig
- wiederstandfähiger gegenüber von Bedienfehler
- besseres Entladeeigenschaften auch bei tiefen Temperaturen ohne Gefahr des Einfrierens des Elektrolyten
- große Stabilität gegenüber mechanischen Belastungen
- höhere Energiedichte bei geringerem Gewicht
Aufbau des NiCd Akkumulators
Die Ausgangssubstanz für die positive Masse ist das Hydroxid des zweiwertigen Nickels (Ni(OH)2), das durch Ausfällen aus Nickel(II)-Salzlösungen, Neutralisations-, Wasch- und Trockenvorgänge gewonnen wird. Es ist grobkörnig, von dunkelgrüner Farbe. Zur Verarbeitung in Elektroden wird das grobkörnige Nickel(II)hydroxid zu Pulver vermahlen und zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit mit Graphitpulver vermischt. Graphit hat jedoch den Nachteil, dass es im Laufe der Zeit oxidiert. Hierdurch wird die Leitfähigkeit herabgesetzt. Außerdem erhöht sich der Carbonatgehalt im Elektrolyte (Vergiftung), wodurch sich die Kapazität der Batterien verringert. Bei der von HOPPECKE verwendeten FNC® (Faserstrukturelektroden Technologie) wird durch spezielle Beschichtung der einzelnen Fasern mit Nickel die Leitfähigkeit des Materials hergestellt. Dadurch erübrigt sich der Zusatz von Graphit, die Kapazität der Batterien sinkt nicht so stark ab und es entfällt der sonst notwendige Electrolytwechsel während der gesamten Batterie-Lebensdauer.
Die aktive Masse der negativen Elektrode ist Cadmiumhydroxid (Cd(OH)2). Als Ausgangsstoff wird Cadmiumoxid verwendet, das mittels eines Elektrolyseverfahrens hergestellt wird. Das Endprodukt ist feinkörnig und von brauner Farbe. Auf Zusätze von Leitmaterial kann verzichtet werden, da in der Masse noch genügend Anteile als Metall vorliegen, die die Leitfähigkeit bewirken.
Elektrolyt
Als Elektrolyt wird in offenen Ni/Cd-Zellen eine KOH (Kaliumhydroxidlösung)- KOH verwendet.
Chemische Reaktion
Die folgende Gleichung zeigt die chemischen Reaktionen als so genannte Gesamtreaktion für die Entladung und Ladung:
2 NiOOH + 2 H2O + Cd D 2 Ni(OH)2+ Cd(OH)2
Wenn die Batterie entladen wird, werden NiOOH und Cd in Ni(OH)2 umgewandelt und Cd(OH)2, beziehungsweise bei der Ladung tritt eine entsprechende Rückreaktion auf. Eine bemerkenswerte Eigenschaft ist, dass weder Kaliumhydroxid (KOH) noch das Kalium direkt an einer Reaktion teilnimmt. Nur das Wasser (H2O) bzw. deren Dissationsprodukt Hydroxidionen (OH-). Wasseranteil in der Kalilaugelösung ist sehr hoch, daher ist die Konzentrationsänderung der Kalilauge sehr gering. Dadurch kann das Elektrolytvolumen beim Aufbau des NiCd – Akkumulators klein gehalten werden. Entsprechend haben die NiCd – Batteriesysteme im Vergleich zu Blei – Säurebatteriesystemen wesentlich größere Energiedichte pro Volumen. Eine geringe Konzentrationsänderung der Kalilauge bringt ebenfalls Vorteile bei sich kaum änderbaren Innenwiderstand der Batterie bei der gesamten Entladung und
Zu Anfang der Ni/Cd-Technik fertigte man Elektroden als Röhrchen- wie auch als Taschenplatten. Allerdings flossen technologische Weiterentwicklungen stark in das System ein. So verwendet man heute für bestimmte Anwendungsbereiche Sinterelektroden und in den letzten Jahren immer mehr Faserstruktur-Elektroden, aufgrund der überragende Betriebseigenschaften. Die Faserstruktur-Elektrode wurde von HOPPECKE unter dem Namen FNC® in den 80’er Jahren entwickelt. Diese Technologie stellt die Spitze der Entwicklung dar, basierend auf den über Jahrzehnte gesammelten Erfahrungen auf den Markt für NiCd- Akkumulatoren.
Nickel/Cadmium-Zellen wie auch in offener Bauart werden im deutschen Sprachraum heute gelegentlich noch immer als »Stahlakkumulatoren« bezeichnet, da sie in den ersten Jahrzehnten der industriellen Produktion ausschließlich in ein Stahlgehäuse eingebaut wurden.
Offene Nickel/Cadmium-Zellen werden ausschließlich in prismatischen Bauformen gefertigt. Das Gehäuse besteht hauptsächlich aus transparentem, hochschlagfestem, korrosionsbeständigem Kunststoff (Polystyrol) oder aus hochschlagfestem, transluzentem Polypropylen (PP) und ermöglicht leicht die Kontrolle des Elektrolytstandes. Zellengefäß und -deckel sind elektrolytdicht miteinander verschweißt. Spezielle O-Ring-Dichtungen gewährleisten an den Poldurchführungen die notwendige Dichtheit. Der Zellendeckel, nimmt sowohl die Polbolzen mit dem daran angeschweißten Zellensatz auf, als auch die zentrisch angeordneten Füll- und Entgasungsöffnungen mit der darin eingeschraubten Verschlusskappe. Die Verschlusskappe ist mit einem Labyrinth versehen, durch das die beim Laden/Entladen entstehenden Gase entweichen können. Gleichzeitig wird der Zutritt von Kohlenstoffmonoxid bzw. -dioxid aus der Luft in den Elektrolyten verhindert, so dass eine Karbonatisierung (Vergiftung) des Elektrolyten über diesen Weg unterbunden wird. Bei HOPPECKE werden für den Betrieb serienmäßig rückzündungshemmende Klappdeckelverschlussstopfen mitgeliefert. Alternativ ist der Einsatz des unikalen HOPPECKE AquaGen®-Rekombinationssystems möglich. Im HOPPECKE AquaGen®-Rekombinationssystems werden die während der Wasserzersetzung entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff in den AquaGen®-Stopfen geleitet. Mittels eines integrierten Katalysators werden diese Gase rekombiniert in Form von Wasserdampf. Der Wasserdampf kondensiert an den Wänden des HOPPECKE AquaGen®-Stopfens. Die sich bildenden Wassertropfen fließen nach unten, und werden in die Batterie zurückgeführt. Der Wirkungsgrad dieser Rekombination beträgt bis zu 98%. Durch diese Effizienz wird der Aufwand für das Nachfüllen von Wasser drastisch reduziert, bis hin zur Wartungsfreiheit.
Der Elektrodensatz, der auf dem Zellenboden entweder vollständig oder auf Stützen aufsteht, besteht je nach Zellentyp, Bauform und gewünschtem Entladeprofil aus recht unterschiedlich gestalteten Einzelelektroden.
Zur Verwendung gelangen die Plattenbauarten:
- Taschenplatten (positiv und negativ)
- Sinterplatte (positiv und negativ)
- Faserstrukturplatte (positiv und negativ)
Die Einzelelektroden gleicher Polarität werden mit der Polbrücke, die wiederum mit dem Polbolzen verschweißt ist, ebenfalls verschweißt. Die Abstände von Platte zu Platte sind genau festgelegt, so dass während der Endmontage der Plattenblock entgegengesetzter Polarität inclusive der Scheider zwischen die Elektroden des Plattenblockes geschoben werden kann. Beide Plattenblöcke »kämmen« ineinander, getrennt durch die Scheider, so dass das vorher festgelegte Polaritätsschema eingehalten wird. Nach der vollständigen Fertigstellung der Zelle wird sie vor der Inbetriebnahme mit Elektrolyt gefüllt.
HOPPECKE Faserstrukturplatte (FNC® - Technologie) und deren Vorteile:
Die aktive Masse der FNC-Elektroden ist chemisch völlig rein, d. h. sie besitzt keine Zusätze zur Verbesserung der Leitfähigkeit wie z. B. Graphit. Dadurch bleibt der Elektrolyt während der gesamten Lebensdauer der Zelle frei von Karbonatbildung, so dass sich ein Elektrolytwechsel während der gesamten Gebrauchsdauer der Batterie erübrigt. Neben einer Betriebskostenersparnis bedeutet dies auch eine Entlastung im Bereich chemischer Abfälle.
Die besondere Bauform der Faserstruktur-Elektrode mit der außerordentlich hohen Leiterdichte und dem innigen Kontakt zum elektrochemisch aktiven Material bewirken einen sehr niedrigen Innenwiderstand der Zelle. Gleichzeitig ist die poröse Elektrodenstruktur sehr gut vom Elektrolyten durchströmt, so dass sich geringe Verluste beim Laden einstellen.