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Akkus altern

Als Teil der laufenden Forschungsprogramme, um die an besten geeigneten Akkus für portable Geräte zu finden, führte Cadex zyklische Dauertest mit Nickel Cadmium (NiCd), Nickel Metall Hydride (NiMH) und Lithium Ion (Li-Ion) Systemen durch. Die Tests wurden mit dem Cadex C7000 Akku-Analyser durchgeführt. Das Gerät mißt das Speichervermögen (Kapazität), den Innenwiderstand (Impedanz) und die Selbstentladung bei wiederholter (zyklischer) vollständiger Entladung und anschließender Wiederaufladung. Die Testwerte (programmierte Parameter) richten sich nach den aktuellen Vorgaben des Akku-Herstellers.

Zunächst gilt es, die Akkus ganz aufzuladen, um sie anschließend bis zur Entladespannung ganz zu entladen. Der Innenwiderstand (Ri) läßt sich mit Hilfe der von Cadex entwickelten Ohm-Test Methode ermitteln. Nach einer 48-stündigen Ruhezeit wird die Selbstentladung periodisch durch Ablesen des eingetretenen Kapazitätsverlustes festgestellt.

Es wurde beobachtet, daß der NiMH Akku sich nicht sehr schnell aufladen lässt. Weiter war die Fähigkeit, hohe Ströme abzugeben, reduziert und die Lebensdauer war verkürzt. Dazu erhöhte sich der Innenwiderstand vom NiMH Akku mit der Anzahl der Lade/Entlade-Zyklen.

In Bezug auf die Zyklen kann die Standard NiCd-Zelle am meisten aushalten. In Bild 2 werden die Kapazität, den Innenwiderstand und die Selbstentladung von einem NiCd-Akku (7,2V, 900mA) mit Standard-Zellen geprüft. Der Test umfaßt 2200 Zyklen. Während der Test-Dauer wird die Spannung gleichbleibend oberhalb 100% gehalten und fällt dann nach etwa 2000 Zyklen leicht darunter. Der Innenwiderstand flacht bei 75 mW ab. Die Selbstentladung erhöht sich ab 2000 Zyklen, bleibt jedoch in einem akzeptablen Bereich. Dieser Akku erhielt den Einstufungsgrad A für eine nahezu perfekte Leistung.

Bild 2: 
Kapazität, Impedanz und Selbstentladung eines 7.2V, 900mA NiCd Akkus mit Standard Zellen

Der hochverdichtete NiCd-Akku hat eine wesentliche höhere Energiedichte als die Standard Version, fällt aber weniger günstig aus nach langem Gebrauch. Bild 3 zeigt einen stetigen Leistungsabfall von ursprünglich 100% auf 70% bei 2000 Zyklen. Gleichzeitig steigt der Innenwiderstand von 200 auf 255 mΩ  und die Selbstentladung erhöht sich nach 1000 Zyklen. Dies bewirkt verkürzte Standzeiten, da ein Teil der Energie laufend im Akku verpufft, selbst wenn er sich nicht im Gebrauch befindet.

Bild 3: 
Kapazität, Impedanz  und Selbstentladung eines 6V, 700mA NiCd Akkus mit Hochleistungszellen

In Bild 4 wird der NiMH-Akku getestet. In Sachen Kapazität übertrifft er den NiCd-Akku bei etwa 40%, jedoch ist der Innenwiderstand höher und nach 300 Zyklen fällt die Kapazität schnell ab. Man kann den raschen Anstieg des Innenwiderstandes und eine Selbstentladung nach 700 Zyklen beobachten. Der NiMH-Akku schafft nicht mehr als 400 Zyklen.

Bild 4:
Kapazität, Impedanz  und Selbstentladung eines 6V, 950mA NiMH Akkus. Die Impedanz-messungen wurde bis Zykluszahl 700 unterlassen.

Der Li-Ion-Akku bietet Vorzüge, die weder NiCd noch NiMH erreichen. Bild 5 veranschaulicht die Kapazität und den Innenwiderstand eines typischen Li-Ion-Akkus. Beim Überschreiten von 1000 Zyklen läßt sich ein leichter und vorhersehbarer Leistungsabfall beobachten und der Innenwiderstand steigt nur leicht von etwa 400 auf 450mW an. Wegen den geringen Werten wird die Messung der Selbstentladung bei diesem Versuch unterlassen.

Bild 5
Kapazität und Impedanz eines 3.6V, 500mA Li-Ion Akkus

Obgleich das Li-Ion-Diagramm im Vergleich mit dem NiMH-Diagramm gut ausfällt, ist der Innenwiderstand relativ hoch. Und das, obwohl es sich um eine Einzelzelle handelt. Für Mobiltelefone stellt der pulsierende Stromfluß eine grosse Herausforderung dar. Um die benötigte Energie aus einer einzelnen 3.6-V-Li-Ion-Zelle zu erhalten, muß der doppelte Strom fliessen wie in einem 7.2-Volt-Akku.

Der Li-Ion-Akku unterliegt der Alterung selbst dann, wenn er nicht benutzt wird. Ein Leistungsverfall macht sich ab einem Jahr bemerkbar. Nach zwei zu drei Jahren fällt der Akku dann häufig aus. Es ist daher nicht zu empfehlen, Li-Ion-Akkus über längere Zeit zu lagern.

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