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Inhalt:
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 Allgemeines / Aufbau
 Laden von NiCd-Akkus
 Memory-Effekt
 NiCd-Akkus in der Praxis
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 Lithiumionenakkus (LiIon)


Grundlagen

Für Nickelcadmiumakkus gelten die gleichen Grundlagen wie für alle Akkumulatoren. Sofern Sie mit dem grundsätzlichen Aufbau und der Wirkungsweise von Akkus nicht vertraut sind, sei Ihnen die Lektüre der Seite  Akkumulatoren nahegelegt, auf der grundlegende Infos zum  Aufbau von Akkus enthalten sind. Weiterhin können Sie dort eine Erklärung von  Fachbegriffen rund um die Akkutechnik sowie eine Übersicht über die verschiedenen  Akkutypen finden.


Allgemeines / Aufbau

BeiNiCd-AkkusStarterakku Nickel-Cadmium-Akkus besteht, wie die Bezeichnung vermuten läßt, eine Elektrode aus Nickel, die andere aus Cadmium. Die Nickelelektrode bildet dabei den positiven Pol und die Cadmiumelektrode den negativen. Es wird ein Elektrolyt auf wässriger Basis verwendet. Er ist bei diesem Akkutyp aber nicht stark sauer wie beim Bleiakku, wo Schwefelsäure zum Einsatz kommt, sondern stark alkalisch. Und zwar wird als Elektrolyt Kalilauge verwendet. In Anlehnung an die chemischen Symbole der beiden Elektrodenmaterialien nennt man diesen Akkumulatortyp abgekürzt gern auch NiCd-Akku. Zwar sind für Hochstromanwendungen NiCd-Akkus in einer Bauform erhältlich, die derjenigen der üblichen Autoakkumulatoren nicht unähnlich ist (d.h. Nickel- und Cadmiumplatten, die in einem Elektrolyten hängen, wobei der Elektrolyt üebr einen Schraubverschluß zugänglich ist), aber viel bekannter und auch weiter verbreitet sind die Bauformen als Rundzelle, wie sie auch bei ganz normalen Batterien für die Unterhaltungselektronik und Beleuchtungstechnik üblich sind. Hierbei liegen die Elektroden durch einen hauchdünnen Abstandshalter getrennt aufeinander und werden aufgewickelt. Der Wickel kommt dann in ein zylindrisches Metallgehäuse, in das nach Kontaktierung Kalilauge als Elektrolyt eingefüllt wird. Dann wird der Akku hermetisch versiegelt. Nachfolgend finden Sie eine Aufstellung einiger weitverbreiteter Akkubauformen, die identisch mit den Bauformen der der nicht aufladbaren Primärzellen sind. Außer durch den Aufdruck kann man sie nicht voneinander unterscheiden.

  Typ    Bezeichnung    Circa-Maße
AAA Mikrozelle 44 mm lang, Durchmesser 10,5 mm
AA Mignonzelle 50 mm lang, Durchmesser 14 mm
C Babyzelle 50 mm lang, Durchmesser 25,5 mm
D Monozelle 60 mm lang, Durchmesser 33 mm
--- 9-V-Block 48 mm x 26 mm x 17 mm

Nickelcadmiumakkus sind der Akkutyp schlechthin, wenn Geräte mit hoher Stromaufnahme wie Fotoblitzgeräte, Akkuschrauber etc. versorgt werden müssen. Sie besitzen einen sehr niedrigen Innenwiderstand und liefern daher hohe Ströme, ohne daß die Spannung allzusehr in die Knie geht. Selbst eine kleine, qualitativ nicht sehr hochwertige Mignonzelle besitzt in der Regel einen Kurzschlußstrom von immerhin ca. 80 A oder mehr. Ihre Lebensdauer wird üblicherweise von den Herstellern mit 1000 Lade-/Entladezyklen angegeben. Dies ist aber eher ein Wert unter Laborbedingungen, der in der Praxis aufgrund schlechter Behandlung der Akkus (Überladung, Tiefentladung, hohe Temperatur etc.) oft nicht erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß NiCd-Akkus einem weiten Temperaturbereich betrieben werden können; sie funktionieren auch bei Temperaturen unter 0 °C noch gut. Allerdings ist Selbstentladung ein eklatanter Nachteil dieses Akkutyps: Die Literaturangaben unterscheiden sich stark voneinander und liegen zwischen 10 und 30% pro Monat bei Raumtemperatur. Nach meinen persönlichen Erfahrungen dürfte der obere Wert realistisch sein. Mit diesem beträgt nach Volladung die nutzbare Ladung nach 6 Monaten Lagerung nur noch ca. 12% und nach einem Jahr Lagerung sogar nur noch 1% der Kapazität. Die Selbstentladung ist zudem stark temperaturabhängig und verdoppelt sich aufgrund der zugrundeliegenden chemischen Abläufe bei einer Temperaturerhöhung um 10 °C bzw. halbiert sich bei einer Temperaturabsenkung um 10 °C. Nachteilig ist außerdem die vergleichsweise geringe Kapazität von NiCd-Akkus, die weniger als ein Drittel heutiger NiMH-Zellen beträgt.

Leider sind Nickelcadmium-Akkus vor allem aufgrund des verwendeten Cadmiums, einem giftigen Schwermetall, nicht gerade besonders umweltfreundlich, falls sie unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Sie müssen nach Erreichen der Lebensdauer oder im Falle eines Defekts daher unbedingt dem Recycling zugeführt werden. Jeder Händler in Deutschland, der Akkus verkauft, ist übrigens zur Rücknahme gesetzlich verpflichtet. Unverständlicherweise wurde trotz des existierenden Recyclingzwangs per EU-Verordnung der Verkauf von NiCd-Akkus wegen des Cadmiums verboten worden, und nur für wenige Anwendungsfälle gibt es Ausnahmen. Wundersamerweise ist für die ebenfalls schwermetallhaltigen Bleiakkus in absehbarer Zeit kein Verbot geplant.


Laden von NiCd-Akkus

GanzLadegerät Ansmann Powerline4 wichtig ist die richtige Ladetechnik, denn anhand der Zellenspannung kann man so gut wie überhaupt nicht auf den Ladezustand schließen, weil sie außer vom Ladezustand noch von weiteren Faktoren wie z.B. der Temperatur abhängt. Lediglich wenn die Zellenspannung bei Raumtemperatur unbelastet unter ca. 1,1 V liegt, kann man eine Aussage treffen, nämlich daß sie ziemlich stark entladen ist. Einfache Ladegeräte laden die Zellen permanent mit einem relativ geringen Strom, so daß ein leerer Akku in üblicherweise etwa 12 bis 15 Stunden vollgeladen ist. War der Akku nicht vollständig entladen oder beläßt man ihn länger im Ladegerät, wird er überladen und nimmt durch Gasentwicklung an den Elektroden Schaden. Noch schlimmer sind einfache Geräte ohne Ladeabschaltung, die aufgrund des höheren Ladestroms leere Akkus in 3 bis 5 Stunden volladen. Sie sind die reinsten Akkukiller, weil damit ge- oder besser gesagt überladene Zellen nicht selten nach nur 5 Ladezyklen Schrott sind. Trotzdem sind sie oft im Lieferumfang von billigen akkubetriebenen Geräten zu finden. Hier hofft der Hersteller wohl auf zusätzliche Einnahmen durch den Verkauf von Ersatzakkus. Auch die sogenannten Ladeschalen, die im Lieferumfang von z.B. schnurlosen Festnetztelefonen enthalten sind, sind nicht selten Akkukiller. Sie laden zwar nur mit relativ geringem Strom, aber sie verleiten dazu, das Gerät dauernd darin zu belassen, was eine permanente Überladung nach sich zieht. Dies hat zur Folge, daß die Akkukapazität innerhalb weniger Monate dermaßen zurückgeht, daß trotz permanenter Volladung bereits nach kurzer Benutzung des Geräts der Akku leer ist.

Nur wenig besser sind Ladegeräte mit Zeitsteuerung, bei denen nur solange geladen wird, bis rein rechnerisch ein absolut leerer Akku vollgeladen ist. Nicht ganz leere Akkus werden gnadenlos überladen, wobei die Überladung wenigstens nicht unbefristet ist wie bei den ganz einfachen Geräten. Aufgrund der unterschiedlichen Kapazität von Akkus gleicher Baugröße muß zudem der Ladestrom oder alternativ die Ladezeit einstellbar sein, was bei einer fehlerhaften Einstellung ebenfalls zur Überladung führt. Die Problematik der Überladung teilentladener Akkus bekommt man zwar durch Ladegeräte in den Griff, die die Akkus vor dem Laden erst einmal vollständig entladen, aber die Probleme, daß die tatsächliche von der Nennkapazität abweichen kann und daß man durch eine fehlerhafte Wahl des Ladestroms überladen kann, bleibt jedoch. Was passiert, wenn man einen Akku mit 500 mAh irrtümlich in der Einstellung 1000 mAh lädt, können Sie sich leicht vorstellen.

Um NiCd-Akkus nicht beim Laden zu schädigen, ist die Verwendung von Ladegeräten mit einer elektronischen "Akku-Voll"-Erkennung unumgänglich. Hierbei wird der Spannungsverlauf beim Laden beobachtet und der Ladevorgang unabhängig vom ursprünglichen Ladezustand und von der Kapazität rechtzeitig beendet. Die Qualität eines solchen Ladegeräts steht und fällt mit dem Algorithmus, der die Volladung erkennen soll. Bei besseren Geräten, die von einem kleinen Mikrocontroller gesteuert werden, ist die sogenannte Delta-U-Abschaltung weit verbreitet (oft als ΔU- oder dU-Abschaltung bezeichnet). Sie nutzt aus, daß beim Laden eines leeren Akkus die Spannung erst einmal ansteigt, um bei Volladung ein Spannungsmaximum zu erreichen. Beim weiteren Laden sinkt die Zellenspannung dann wieder ein bißchen. Der geringe Spannungsrückgang wird im Fachjargon als ΔU bezeichnet (griech. Δ = Delta, mathematisch gern zur Kennzeichnung von Unterschieden verwendet). Geräte mit Delta-U-Abschaltung überprüfen daher andauernd die Zellenspannung darauf, ob sie im Laufe des Ladevorgangs um ein paar mV (Millivolt, d.h. tausendstel Volt) sinkt, und beenden dann den Ladevorgang. Das Problem dabei ist, einen Spannungsrückgang um wenige mV sicher zu erkennen, denn man will ja nicht z.B. infolge geringer Störungen bei halbvollem Akku die Ladung beenden. Die Folge ist, daß etliche Ladegeräte einen relativ hohen Spannungsrückgang benötigen, um eine Volladung zu detektieren. Dies bedeutet aber gleichzeitig, daß der Akku immer ein bißchen überladen wird. NiCd-Akkus sind diesbezüglich zwar relativ tolerant, aber es wäre besser, nicht den Spannungsrückgang abzuwarten, sondern bereits im Spannungsmaximum das Laden zu beenden.

Gute Ladegeräte können das Spanungsmaximum sicher erkennen oder benötigen zumindest nur einen winzig kleinen Spannungsrückgang. Man erkennt sie daran, daß die Akkus auch kurz vor Ladeende nicht heiß werden (mehr als handwarm werden sie allerdings immer). Wenn eine rechtzeitige Abschaltung gegeben ist, kann man mit relativ hohen Ladeströmen arbeiten, welche den Vorteil haben, daß die Bildung von großen Kristallen im Akku mit einhergehender Kapazitätsverminderung und Vergrößerung des Innenwiderstands verhindert wird. Man kann auf diese Weise gefahrlos einen NiCD-Akku in weniger als einer Stunde laden. Zu hohe Ladeströme sollte man allerdings vermeiden, weil sich dann der Akku durch die ohmschen Verluste unzulässig erwärmt. Im Interesse einer möglichst hohen nutzbaren Kapazität, eines niedrigen Innenwiderstands und einer langen Lebensdauer sollte man eine Ladezeit von möglichst 1 bis 4 Stunden anstreben. Man kann sie leicht abschätzen, indem man die Akkukapazität durch den Ladestrom dividiert.

Normalerweise nicht unbedingt notwendig aber ein netter Zusatz ist das Reflexladen. Dieses Ladeverfahren wurde in den 50er Jahren erfunden und bedeutet, daß man den Akku während des Ladevorgangs regelmäßig ganz kurz entlädt. Der Sinn besteht darin, beim Ladevorgang in der Zelle an der positiven Elektrode entstehende Sauerstoffbläschen, die die wirksame Elektrodenoberfläche reduzieren, weil sie keinen Strom leiten können, durch ganz kurze Entladeimpulse mit wenigen Millisekunden (=tausendstel Sekunden) Länge wieder zu binden. Dadurch verringert sich während des Ladevorgangs im Vergleich zur Normalladung der Innenwiderstand, wodurch sich der Akku weniger durch den fließenden Strom erwärmt. Dies kann man einerseits ausnutzen, um den Akku durch die niedrigere Temperatur schonender zu laden, oder aber andererseits, um den Ladestrom erhöhen zu können.

Für kleinere Akkupacks mit 4 bis 10 Zellen gut geeignet ist beispielsweise das von einem Microcontroller gesteuerte, mit ca. 40 Euro vergleichsweise preiswerte Universalladegerät ACS 410 der Firma Ansmann, sofern man keine ultrakurzen Ladezeiten benötigt, wie dies beispielsweise im Modellbaubereich der Fall ist. Falls das Akkupack keinen genormten Anschluß besitzt, was leider bei vielen herstellerspezifischen Akkupacks der Fall ist, muß man sich einen geeigneten Adapter selbst basteln. Falls Sie mit einem Lötkolben umgehen können oder jemanden kennen, der das kann, sollte dies kaum Probleme bereiten. Zum Laden einzelner Rundzellen kann man dem Durchschnittsanwender die Geräte der Powerline-Serie des gleichen Herstellers empfehlen (siehe Bild links), bei denen der Ladevorgang für jede Zelle einzeln von einem Microcontroller gesteuert und überwacht wird. Mit diesen Geräten kann man Akkuzellen der Größe AAA (Mikro) und AA (Mignon), beim Powerline 5 zusätzlich auch C (Babyzellen) und D (Monozellen) aufladen. Eine Alternative stellen die Ladegeräte von IVT dar. Auch wenn ich selbst gute Erfahrungen mit Ladegeräten von IVT und den Powerline-Modellen von Ansmann gemacht habe, gibt es brauchbare Ladegeräte selbstverständlich auch von anderen Herstellern.

Soweit irgendwie möglich, sollte man NiCd-Akkus mit einem Ladegerät laden, das die Zellen einzeln überwacht. Der Grund liegt darin, daß die Kapazität der Zellen nie absolut gleich ist. Deswegen sind sie bei gleichem Ladestrom auch zu unterschiedlichen Zeiten voll. Ladegeräte mit sogenannter Einzelschachtüberwachung laden und überwachen die Zellen völlig unabhängig voneinander, sodaß man sie nicht notwendigerweise zeitgleich ins Ladegerät einsetzen muß. Sind die Akkus jedoch in Form eines Akkupacks fest miteinander verbunden, ist eine Überwachung der einzelnen Zellen natürlich nicht möglich. Dabei kann es passieren, daß eine Zelle infolge Volladung bereits einen Spannungsrückgang zeigt, während alle anderen Zellen dieses Akkupacks noch an Spannung zulegen, sodaß die Gesamtspannung noch leicht steigt. Das Ladegerät kann dann nicht erkennen, daß der erste Akku bereits voll ist, und sinnvollerweise das Laden dann beenden. Der Ladevorgang wird vielmehr fortgesetzt, bis weitere Zellen voll sind und die Gesamtspannung sinkt. Dabei wird immer mindestens eine Zelle überladen, z.T. sogar massiv, wobei diese geschädigt wird und an Kapazität verliert. Beim nächsten Laden ist sie noch früher voll, wird daher noch weiter überladen, verliert noch mehr Kapazität usw. - ein wahrer Teufelskreis. Dieser wird beim Entladen noch dadurch verstärkt, daß diese Zelle aufgrund ihrer kleineren Kapazität auch früher leer ist, und dann die Gefahr der Tiefentladung bzw. sogar Umpolung besteht. Kleine Kapazitätsunterschiede werden so im Laufe der Zeit immer größer.


Memory-Effekt

Über den Memory-Effekt (engl. "memory effect") von NiCd-Akkus gibt es zahlreiche Berichte und auch die wildesten Mythen. Hierunter versteht man den Effekt, daß ein Akku, der vor dem Laden stets nur teilentladen wird, sich "merkt", daß seine ganze Kapazität nie wirklich benötigt wird und dies mit einem Kapazitätsrückgang quittiert. Diese oft zu findende Erklärung ist nicht ganz richtig, denn es vermindert sich keineswegs die Kapazität, sondern ab einer bestimmten Entladetiefe, deren Wert von den vorangegangenen Lade-/Entladezyklen abhängt, sinkt lediglich die Spannung mehr oder weniger plötzlich um ca. 0,12 V ab. Trotzdem kann der Akku weiterhin Strom liefern, nur halt mit einer 0,12 V niedrigeren Spannung als ohne Memory-Effekt. Durch die geringere Spannung vermindert sich allerdings die abgegebene Leistung um ca. 20%, was man z.B. bei einem Akkuschrauber deutlich merkt und oft irrtümlich vermutet, daß der Akku nun leer sei. Bei Geräten mit Batteriespannungsüberwachung passiert Ähnliches: Als direkte Folge der niedrigen Spannung wird viel zu früh ein leerer Akku diagnostiziert und dann zum Schutz vor Tiefentladung das Gerät abgeschaltet. In beiden Fällen wird durch das zu frühe Laden der Memory-Effekt noch weiter vestärkt. Erklärbar ist der Memory-Effekt mit der Bildung einer Nickel-Cadmium-Komplexverbindung an der Cadmium-Elektrode in denjenigen Bereichen, die in den vorangegangenen Teil-Entladezyklen nicht entladen wurden. Es gibt noch einen ganz ähnlichen Effekt an der Nickelelektrode, der sich genauso auswirkt. Man nennt ihn Lazy-Akku-Effekt (engl. "lazy accu effect" oder "lazy effect"). Bei ihm ist der Spannungsrückgang mit ca. 0,05 V allerdings weniger als halb so groß wie beim Memory-Effekt, wodurch er sich weniger stark auswirkt, weil der Leistungsrückgang nur ca. 8% beträgt. Meistens tritt er zeitlich nicht weit entfernt vom Memory-Effekt auf und wird daher oft nicht als eigentständiger Effekt wahrgenommen.

Beseitigen lassen sich der Memory-Effekt wie auch der Lazy-Akku-Effekt, indem man den Akku ganz einfach bis auf ca. 0,8 V entlädt und dann wieder ganz normal auflädt, wobei dies gern mit höheren Strömen erfolgen darf. Es mag sein, daß NiCd-Akkus früherer Jahre tatsächlich einen Memory-Effekt besaßen, aber ich selbst konnte bei meinen Akkus diesen noch nie feststellen. Diese Beobachtung wurde inzwischen sowohl durch die Elektronik-Zeitschrift Elektor als auch durch Stiftung Warentest bestätigt. Wahrscheinlich konnten die Hersteller durch geeignete Maßnahmen die Entstehung der besagten Komplexverbindung an der Cadmium-Elektrode weitgehend verhindern.

Es gibt noch einen anderen Effekt, der sich so äußert, daß scheinbar die Kapazität zurückgeht, wenn man einen NiCd-Akku immer nur mit geringem Strom lädt. Die Ursache ist, daß das Laden mit geringem Strom eine lange Ladezeit zur Folge hat, was eine ideale Voraussetzung für das Wachstum weniger aber großer Kristalle sind. In einer Zuckerlösung bilden sich große Kristalle auch nur, wenn man ihnen genügend Ruhe gibt und nicht dauernd die Zuckerlösung umrührt. Diese großen Kristalle besitzen eine etwas geringere elektrische Leitfähigkeit als viele kleine, die beim Laden mit hohem Strom bilden. Dadurch ist der Innenwiderstand größer als bei Zellen, die mit hohem Strom geladen wurden. Der erhöhte Innenwiderstand hat zur Folge, daß an ihm bei gleichem Entladestrom mehr Spannung abfällt, wodurch die außen meßbare Zellenspannung geringer ist. Verbraucher mit Betriebsspannungsüberwachung wie z.B. Digitalkameras gehen dann von einer leeren Batterie aus und schalten ab, obwohl die Kapazität noch nicht erschöpft ist. Dies führt zu einem nicht realen aber vom Benutzer gefühlten Kapazitätsrückgang, da diesem vom jeweiligen Gerät "Akku/Batterie leer" gemeldet wird, obwohl diese Meldung nicht korrekt ist. NiCd-Akkus, die mit einem hohem Strom entladen werden, sollten daher in einem geeigneten Ladegerät auch mit einem hohen Strom geladen werden.


NiCd-Akkus in der Praxis

NiCd-Akkus sollten vorzugsweise bei Geräten mit mittlerer oder hoher Stromaufnahme verwendet werden. Wenn das Blitzgerät nicht mehr lädt oder der Akkuschrauber nur noch kraftlos dreht, sollten Sie nicht versuchen, das letzte Quentchen Strom aus den Akkus zu quetschen. Denn dabei werden sie tiefentladen. Einzelne Zellen werden möglicherweise sogar umgepolt, was sich kapazitätsvermindernd bis hin zum Totalschaden auswirkt. Leider gibt es nur wenige NiCd-/batteriebetriebene Geräte, die den Entladevorgang überwachen und bei Erreichen der Entladeschlußspannung eine weitere Entladung unterbinden, so daß Sie als Benutzer einen erheblichen Einfluß auf das Wohl und Wehe Ihrer NiCd-Akkus haben. Laden Sie sie baldmöglichst auf anstatt sie zu quälen, und verwenden Sie währenddessen einen zweiten Satz Akkus. Dieser kostet nicht die Welt und hält bei sachgerechter Handhabung und einem guten Ladegerät sehr lange. Unbenutzte Akkus sollten Sie aufgrund der Selbstentladung ungefähr alle 1 bis 2 Monate nachladen, damit sie auch für unverhoffte Fälle einsatzbereit und nicht im unpassendsten Moment leer sind und dann doch gegen besseres Wissen kaputtgequält werden. Durch gelegentliche vorherige Entladung mit relativ hohem Strom, was Sie bei guten Ladegeräten einstellen können, wird verhindert, daß der Akku mit der Zeit schlapp wird ("memory effect" bzw. "lazy accu effect"). Werden die Akkus in Geräten mit hoher Stromaufnahme wie z.B. Elektrowerkzeugen benutzt, ist dies jedoch unnötig, weil sie selbst die Akkus mit hohem Strom entladen.

Neu gekaufte Akkus sind immer fast vollständig entladen und müssen vor der ersten Verwendung erst einmal aufgeladen werden. Sofern Sie ein gutes Ladegerät mit Entlademöglichkeit und Delta-U-Abschaltung besitzen, sollten Sie sie einige wenige Male hintereinander laden und entladen, um sie richtig fit zu machen. Wenn eine anfänglich etwas geringere Kapazität nichts ausmacht, können Sie sie nach dem erstmaligen Aufladen aber auch sofort im Gerät verwenden. Ob das Entladen durch das Ladegerät oder das akkubetriebene Gerät erfolgt, ist völlig egal. Auch hierbei baut sich erst nach einigen Zyklen die Nennkapazität auf. Das mehrmalige vollständige Entladen mit nachfolgendem Aufladen hilft auch oft bei Akkus, die offenbar in ihrer Leistungsfähigkeit nachgelassen haben. Allerdings hat irgendwann einmal jeder Akku seine Lebensdauer erreicht.

Wofür NiCd-Akkus überhaupt nicht geeignet sind, sind Geräte mit geringer Stromaufnahme wie z.B. Uhren, denn einerseits müssen sie aufgrund der relativ hohen Selbstentladung alle paar Monate nachgeladen werden, andererseits sind die Akkus bereits tiefentladen, wenn die Uhr stehenbleibt. Selbst wenn Sie die Akkus rechtzeit wieder aufladen, gewöhnen sich NiCd-Akkus an die geringen Entladeströme und lassen in ihrer Leistungsfähigkeit nach. Für solche Anwendungen sollte man keine Akkus sondern Alkali-Mangan-Batterien verwenden, auch wenn man aus Gründen des Umweltschutzes nicht aufladbare Primärzellen eigentlich nicht mag.
   

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Letztes Update dieser Seite: 23.08.2014 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)