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Nickel/Cadmium-Batterie



Batteriechemie



Batteriechemie der Nickel/Cadmium-Batterie

Elektrolyt

In Ni/Cd-Zellen wird Kalilauge mit einer Dichte zwischen 1,24 und 1,30 g/cm3 als Elektrolyt verwendet. Höhere Konzentrationen bewirken höhere entladbare Kapazitäten, verkürzen aber die Lebensdauer der Batterie durch beschleunigte Oxidation des Separatormaterials und der positiven Sinterelektrode. Die Leitfähigkeit des Elektrolyten liegt bei 0,6 S/m, der Gefrierpunkt bei -46°C.

Elektroden

Masse-Elektroden

In den Knopfzellen findet heute der älteste bei Ni/Cd-Batterien gebräuchliche Elektrodentyp Verwendung. Die positive Elektrode besteht aus NiOOH (Nickelhydroxid) mit einem Zusatz von Cd(OH)2 (Cadmiumhydroxid) als Umpolschutz und Graphit zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit. Die negative Elektrode besteht aus Cadmiumverbindungen mit beigemischtem Graphit.

Sinterfolien-Elektroden

Als Trägermaterial dient perforiertes vernickeltes Stahlblech, auf das bei ca. 1000°C unter einer Ar-Atmosphäre das Nickel-Pulver aufgebracht wird. Bei diesem Verfahren entsteht eine elastische hochporöse Sinterschicht. Dann wird diese Sinterfolie in eine Cadmium- oder Nickellösung (je nach gewünschter Elektrode) getränkt, mit Kalilauge gefällt (NiOOH bzw. Cd(OH)2 entsteht) und dann gewaschen. Dieser Vorgang wird bis zur gewünschten Elektrodendicke wiederholt.

Metallschaumelektroden

Sie sind eine Weiterentwicklung der beiden obigen Elektrodentypen. Der Vorteil liegt in der Gewichtsreduzierung. Als Trägermaterial wird ein vernickelter Kunststoffschaum eingesetzt, der nach dem Erhitzen und Verdampfen des Kunststoffes ein selbsttragendes, feinporiges Nickelskelett (Nickelschaum) ergibt.

Separator

Als Separator werden meist Vliese oder poröse Folien aus Polyamid Wikipedia-Link oder Polypropylen verwendet Wikipedia-Link. Der Separator muss möglichst viel Elektrolyt Wikipedia-Link aufnehmen und rückhalten können.

 

Besonderheiten
Viskosität des Elektrolyten
fällt stark mit der Temperatur ab. Bei tiefen Temperaturen und großen Lade/Entladeströmen können durch verminderte Diffusion Dichteunterschiede eintreten, die Potentialabfall und lokales Einfrieren bewirken.
Memory-Effekt
Ni/Cd-Zellen können u.a. durch wiederholte Teilentladung eine 2. Entladestufe entwickeln, die um 120 mV tiefer liegt. Es scheint, dass sich die Zelle daran erinnert vorher nur eine Teilkapazität abgegeben zu haben. Ursache ist die Kornvergröberung des Cadmiums und Bildung einer intermetallischen Phase der Zusammensetzung Ni5Cd21.
Zur Beseitigung des Memory-Effektes muss die Zelle zunächst tiefentladen und anschließend mit Nennstrom und doppelter Ladezeit aufgeladen werden. Dadurch werden die aktiven Massen wieder vollständig aufgeladen.


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