Die Nickel-Kadmium-Batterie,
ihre Dominanz und Zukunft

In diesem Kapitel werden wir die Stärken und Grenzen von verschiedenen Batteriechemien beurteilen, beginnend mit Nickel-Kadmium. Jeder Batterietyp hat seine spezifischen Vorteile, aber keiner ergibt eine total zufriedenstellende Lösung. Mit der immer grösser werdenden Auswahl an verschiedenen Batteriechemien, die heute zur Verfügung stehen, können spezifische Bedürfnisse immer besser abgedeckt werden. Eine vorsichtige Beurteilung der Eigenschaften jedes Batterietyps ist deshalb wichtig. Auf Grund ihrer Ähnlichkeiten, werden Nickel-Kadmium- sowie Nickel-Metallhydrid-Batterien in diesem Artikel gleichzeitig behandelt.

Die Nickel-Kadmium-Batterie
Der Schwede Waldmar Jungner erfand 1899 die Nickel-Kadmium-Batterie. Zu jener Zeit waren diese Materialien teuer verglichen mit anderen vorhandenen Batterietypen, und ihre Verwendung war begrenzt auf spezielle Applikationen. 1932 wurde das aktive Material im Innern einer porösen, vernickelten Elektrode abgelegt, und um 1947 begann die Forschung für eine versiegelte Nickel-Kadmium-Batterie. Anstelle der bei der Ladung entstehenden Gase abzuführen, wurden sie regeneriert. Dieser Fortschritt führte zur modernen versiegelten Nickel-Kadmium-Batterie, wie sie noch heute Verwendung findet.

Nickel-Kadmium bevorzugt eine Schnellladung gegenüber einer Langsamladung, sowie eine Impulsladung gegenüber einer DC-Ladung. Sie ist ein starker und stiller Arbeiter, der hart arbeitet und wenig Probleme stellt. Das heißt, die Nickel-Kadmium ist die einzige Batterie, die unter strengen Arbeitsbedingungen gute Leistungen erbringt. Alle anderen Chemien ziehen schwache Entlade- und mäßige Ladeströme vor.

Nickel-Kadmium lieben es nicht, gepuffert zu werden, indem sie während Tagen im Ladegerät gelassen werden, und nur gelegentlich für kurze Zeit verwendet werden. Eine regelmässige Vollladung ist derart wichtig, dass, wenn dies unterlassen wird, sich auf den Zellenplatten grosse Kristalle bilden (auch als Memory-Effekt bezeichnet), und die Nickel-Kadmium verliert allmählich ihre Leistungsfähigkeit.

Unter den wieder aufladbaren Batterien verbleibt die Nickel-Kadmium eine beliebte Wahl für Funkgeräte, medizinische Geräte und Werkzeuge. Es besteht allerdings ein Trend zu Batterien mit höherer Energiedichte und weniger giftigen metallischen Substanzen, aber alternative Chemien können vielfach die Bedingungen für die überlegene Lebenserwartung und tiefe Kosten der Nickel-Kadmium nicht erfüllen.

Nachfolgend eine Zusammenfassung der Vorteile und Grenzen der Nickel-Kadmium-Batterie.

Vorteile
- Schnelle und einfache Aufladung
- Hohe Anzahl von Lade-/Entladezyklen --- wenn gut gewartet, können Nickel-Kadmium über 1000 Lade-/Entladezyklen erreichen
- Gute Ladeeigenschaften --- Nickel-Kadmium erlauben eine Ladung auch bei tiefen Temperaturen
- Lange Lagerungsfähigkeit --- 5 Jahre Lagerung ist möglich. Erneute Formatierung vor Gebrauch ist notwendig.
- Einfache Lagerung und Transport --- die meisten Fluggesellschaften akzeptieren Nickel-Kadmium-Batterien ohne spezielle Bedingungen.
- Gute Leistungen bei tiefen Temperaturen
- Vergibt schlechte Behandlung --- Nickel-Kadmium ist eine der robustesten wiederaufladbaren Batterien
- Wirtschaftlicher Preis --- Nickel-Kadmium ist die günstigste Batterie, in Bezug auf Kosten pro Zyklus.
- Erhältlich in vielen Größen, Varianten und Leistungsoptionen --- die meisten Nickel-Kadmium-Zellen sind zylindrisch.

Grenzen
- Verhältnismäßig tiefe Energiedichte
- Memory-Effekt --- Nickel-Kadmium müssen regelmäßig untersucht und gewartet werden, um den Memory-Effekt zu vermeiden.
- Umweltunfreundlich --- Nickel-Kadmium enthält giftige metallische Substanzen. Gewisse Länder schränken ihre Verwendung ein.
- Verhältnismäßig hohe Selbstentladung --- verlangt eine Aufladung nach Lagerung  

Die Nickel-Metallhydrid-Batterie

Die Forschung über Nickel-Metallhydrid begann um 1970, als Mittel, Wasserstoff für Nickel-Hydrogen-Batterien zu speichern. Heute werden Nickel-Hydrogen vorwiegend für Satellitenapplikationen verwendet. Nickel-Hydrogen-Batterien sind voluminös, verlangen ein Hochdruckstahlgehäuse und kosten Tausende von Dollars pro Zelle.

In der frühen Phase der Experimente mit Nickel-Metallhydrid, war die Metallhydridlegierung in der Zellenumgebung unstabil, und die gewünschten Leistungseigenschaften konnten nicht erreicht werden. Das Resultat davon war, dass die Entwicklung von Nickel-Metallhydrid-Batterien stark gebremst wurde. Neue Hydridlegierungen wurden in den 80ern entwickelt, welche stabil genug waren für eine Verwendung in einer Zelle. Ab diesem Moment ging es mit der Nickel-Metallhydrid-Batterie stetig voran.

Der Erfolg der Nickel-Metallhydrid wurde gesichert durch die hohe Energiedichte und die Verwendung von umweltfreundlichem Metall. Die moderne Nickel-Metallhydrid bietet bis zu 40% mehr Energiedichte als vergleichsmäßig eine Nickel-Kadmium. Dies ist ein Potenzial für noch höhere Kapazitäten, aber nicht ohne einige negative Nebeneffekte.

Nickel-Metallhydrid ist weniger dauerhaft als Nickel-Kadmium. Laden/Entladen unter hoher Belastung und Lagerung bei hohen Temperaturen reduzieren die Lebenserwartung. Nickel-Metallhydrid leidet unter hoher Selbstentladung, die grösser ist als bei Nickel-Kadmium.
Nickel-Metallhydrid ist im Begriff die Nickel-Kadmium zu verdrängen, z.B. im Markt der mobilen Telephonie und bei tragbaren Computern. Experten sind sich einig, dass Nickel-Metallhydrid-Batterien in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht haben, aber gewisse Grenzen bleiben bestehen. Manche der Unzulänglichkeiten sind mit der auf Nickel basierenden Technologie zu begründen und werden mit Nickel-Kadmium geteilt. Es wird allgemein angenommen, dass Nickel-Metallhydrid ein Zwischenschritt ist zur auf Lithium basierenden Batterie-Technologie.

Nachfolgend eine Zusammenfassung von Vorteilen und Grenzen von Nickel-Metallhydrid-Batterien.

Vorteile
- 30 bis 40% höhere Kapazität als die Standard-Nickel-Kadmium-Batterie --- Nickel-Metallhydrid hat das Potenzial für noch höhere Kapazitäten.
- Weniger Tendenz zu Memory als Nickel-Kadmium --- müssen weniger oft gewartet werden.
- Einfache Lagerung und Transport --- Transporte sind keinen speziellen Kontrollen unterworfen.
- Umweltfreundlich --- enthält nur schwache Gifte, günstig für die Entsorgung

Grenzen
- Begrenzte Lebensdauer --- die Leistungsfähigkeit beginnt abzunehmen nach 200 bis 300 Zyklen, wenn wiederholt stark entladen wurde.
- Begrenzter Entladestrom --- auch wenn Nickel-Metallhydrid geeignet ist, einen hohen Strom abzugeben; starke Entladung reduziert die Lebenserwartung der Batterie.
- Komplexere Ladealgorithmen sind nötig --- Nickel-Metallhydrid produziert mehr Wärme während der Ladung und benötigt eine etwas längere Ladezeit als Nickel-Kadmium. die Schwebeladungs-Einstellungen sind kritisch, weil die Batterie keine Überladung absorbieren kann.
- Hohe Selbstentladung --- typischerweise 50% höher als bei Nickel-Kadmium. Neue chemische Zusätze haben die Selbstentladung etwas verkleinert, aber auf Kosten von tieferen Energiedichten.
- Die Leistungsfähigkeit wird verschlechtert bei Lagerung unter hohen Temperaturen. --- Nickel-Metallhydrid sollte an einem kühlen Ort gelagert werden und bei ca. 40%-Ladezustand
- Hohe Wartung --- Nickel-Metallhydrid benötigt regelmäßige komplette Entladung, um die Formierung von Kristallen zu verhindern. Nickel-Kadmium sollte einmal pro Monat gewartet werden, Nickel-Metallhydrid einmal alle 3 Monate. 

Mit freundlicher Genehmigung von

Isidor Buchmann (Cadex Electronics Inc.)