Der Nickel-Cadmium Akkumulator

Referat von Tobias Reimann

Galvanische Elemente

Galvanische PrimärelementeGalvanische Primärelemente sind Energieumwandler, die auf elektrochemischem Weg eine Spannung erzeugen.Die Höhe der Spannung ist abhängig von der Art der Werkstoffe und von der Art und Menge des Elektrolyts. 

 Batterie-Prinzip:Beim Eintauchen eines Metalls in eine Säure findet ein Ionisierungsprozess statt. Je nach Säurekonzentration und Art des Metalls geht das Metall unterschiedlich stark in Lösung. Dabei werden Elektronen freigesetzt. Gleichzeitig entsteht eine elektrische Spannung, die je nach Metall variiert.Beim Stromfluss zersetzt sich das unedle Metall. Das edle Metall nimmt dabei Elektronen auf und wird negativ. Das unedle Metall gibt Elektronen ab und wird positiv. Der Stromfluss bleibt solange bestehen, bis sich das unedle Metall vollständig zersetzt hat.Ein Primärelement wird auch als Batterie bezeichnet. Die dabei ablaufenden elektrochemischen Vorgänge lassen sich nicht mehr umkehren.

 

Elektrochemische Spannungsreihe (Normalpotentiale)

Metalle, die gegenüber dem Wasserstoff eine positive Spannung haben, werden edle, alle mit einer negativen Spannung werden als unedle Metalle bezeichnet.

Metall Nichtmetalle Potential

Fluor (F)   + 2,85 V

Gold (Au)   + 1,50 V

Platin (Pt)   + 1,2 V

Silber (Ag)   + 0,80 V

Kohlenstoff (reinst) (C)

  + 0,75 V

 Kohle   + 0,74 V

Kupfer (Cu)   + 0,35 V

Wasserstoff (H2)   0 V

Blei (Pb)   - 0,13 V

Zinn (Sn)   - 0,14 V

Nickel (Ni)   - 0,25 V

Cadmium (Cd)   - 0,40 V

Eisen (Fe)   - 0,44 V

Chrom (Cr)   - 0,56 V

Zink (Zn)   - 0,76 V

Mangan (Mn)   - 1,07 V

Aluminium (Al)   - 1,67 V

Magnesium (Mg)   - 2,34 V

Lithium (Li)   - 3,04 V

Normpotentiale verschiedener Stoffe

 

Beispiel: Zink-Kohle-ElementZink = -0,76 VKohle = +0,74 VDaraus ergibt sich eine Differenzspannung von 1,5 V.

Das Zink-Kohle-Element ist als Batterie besonders geeignet, da beide Stoffe in der Natur häufig vorkommen, und deshalb sehr billig sind.Werden höhere Spannungswerte aus der Tabelle ermittelt, so hat das die Folge, das höhere Materialkosten und eine kürzere Lebensdauer

auftreten.

Galvanische Sekundärelemente

Galvanische Elemente unterscheiden sich entsprechend ihrer Wirkungsweise in Primär- und Sekundärelemente.Im Gegensatz zum Primärelement sind die elektrochemischen Vorgänge innerhalb eines Sekundärelementes umkehrbar.

Sekundärelemente werden Akkumulatoren, kurz Akku, oder auch Sammler genannt. Sie können durch Zuführen von elektrischer Energie wieder aufgeladen werden.

Wird einem Akku elektrische Energie zugeführt(Laden) wird diese in chemische Energie umgewandelt. Wird einem Akku elektrische Energie entzogen(Entladen) wird diese aus der chemischen Energie umgewandelt.

Elektrische Energie

Chemische Energie

AufbauDie Elektroden von Ni/Cd Akkus (Typ Sinterzelle) sind aus Stahl/Nickelblechen, welche im ungeladenen Zustand von Cadmium(II)- bzw. von Nickel(III)-hydroxid umgeben sind, während als Elektrolyt Kalilauge mit einem pH=14 dient.Beim Laden entsteht am Minuspol der Stromquelle elementares Cadmium, am Pluspol Nickel(III)-hydoxid-oxid, NiO(OH). Beim Entladen während des Betriebs laufen an den Elektroden folgende Reaktionen ab:

Minuspol:

Pluspol:

 

Nickel-Cadmium-Akkumulator

Bei Erreichen des Ladeendzustandes werden die wässrigen Anteile des Elektrolyts zersetzt; es entstehen (an der positiven Platte) Sauerstoff und Wasserstoff (an der negativen Platte), die normalerweise von der Gegenelektrode absorbiert werden. Beim Überladen bewirkt diese Knallgas-Erzeugung (Gasung) einen Druckanstieg in der Zelle, der bis zur Explosion führen kann. Daher sind alle Akkus mit einem Sicherheitsventil versehen, das bei hohen Innendruck anspricht.

Entladevorgang eines Nickel-Cadmium Akkus

Ladevorgang eines Nickel-Cadmium Akkus

Nickel-Cadmium Rundzelle

Anwendung Dies Art von Akku befindet sich überall in Geräten des täglichen Gebrauchs:

•Camcorder •Schnurlose Telefone/ Handys •Notebooks •Modellbau

  

Nickel-MetallhydridNiCd-Akkus werden immer mehr durch NiMH-Akkus ausgetauscht. Durch ihre elektrische Gleichheit gibt es hierdurch keine Probleme.

AufbauDie giftige Cadmium-Elektrode wird durch eine wasserstoffspeichernde Metalllegierung ersetzt.