Das Laden von Nickel-Metallhydrid-Akkus

Ladegeräte für NiMH-Akkus sind den NiCd-Ladern ähnlich, benötigen jedoch eine kompliziertere Elektronik, denn der Spannungsabfall bei vollem Ladezustand (NDV) ist bei NiMH-Akkus sehr gering und bei Laderaten unter 0,5 C und erhöhter Temperatur sogar kaum noch existent. Weiterhin ist das NDV bei alten Akkus und bei Akkus mit Zellen unterschiedlichen Kapazitäten noch geringer.

Ein NiMH-Lader muß darum auf einen Spannungsabfall von 8 bis 16 mV per Zelle reagieren können. Ist das Ladegerät jedoch zu empfindlich, können Spannungsschwankungen vom Akku oder Oberwellen die Schnellladung zu früh abschalten. Darum wird heute bei annähernd allen NiMH-Schnelladegeräten eine Kombination von NDV, Steilheit der Temperaturkurve (dT/dt), absoluter Temperatur und Ladezeit verwendet. Die Schnellladephase wird bei Erreichen eines der Grenzwerte abgeschaltet.

Werden NiMH-Akkus kurzzeitig überladen, wird eine höhere Endkapazität erreicht, als bei weniger aggressiver Ladung. Bei einem guten Akku beträgt dieser Gewinn etwa 6 Prozent. Die Lebensdauer wird jedoch verringert. Anstatt nach 350 bis 400 Betriebsintervallen ist das Akkupack bereits nach 300 Intervallen aufgezehrt.

NiMH-Akkus sollten eher schnell, als langsam geladen werden. Weil sie Überladungen schlecht vertragen, muß die Erhaltungsladung bei 0,05 C liegen, also geringer als bei NiCd. Darum dürfen NiCd-Lader nicht für NiMH-Akkus benutzt werden.

Es ist schwierig, sogar unmöglich, NiMH-Akkus langsam zu laden. Bei C-Werten von 0,1 bis 0,3 ist der Verlauf der Spannungskurve und der Temperaturkurve ungewiß und kann zur Bestimmung des Ladeendzustands nicht benutzt werden. Die Ladeüberwachung muß dann zeitgesteuert sein. Wird jedoch ein voller oder halbvoller Akku mit einer festen Zeiteinstellung geladen, wird er überladen und dadurch beschädigt. Das gleiche gilt für einen alten Akku, der nur noch 50 Kapazität aufweist. Trotz Überladung kann sich der NiMH-Akku kalt anfühlen.

Oft erreichen billige Ladegeräte nicht den vollen Ladezustand. Die Ladeenderkennung spricht möglicherweise sofort bei Erreichen der Spannungsspitze oder einer Ansprechtemperatur an. Die Verkaufsargumente für diese Geräte sind eine kurze Ladezeit und der günstige Preis. Auch einige der Superschnellader erreichen den vollen Ladezustand nicht.

Das Laden von Lithiumionen-Akkus

Whereas charges for nickel-based batteries are current limiting devices, Li-ion chargers are voltage limiting. There is only one way to charge lithium-based batteries. The so-called 'miracle chargers', which claim to restore and prolong batteries, do not exist for lithium chemistries. Neither does a super-fast charging solution apply. Manufacturers of Li-ion cells dictate very strict guidelines in charge procedures.

Die ersten Graphitsysteme erforderten eine Spannungsbegrenzung auf 4,10 V/Zelle. Zwar führen höhere Spannungen zu mehr Kapazität, aber die Lebensdauer wird dabei durch Oxidieren der Zellen verkürzt. Dieses Problem wurde durch chemische Zusätze gelöst. Heutige Li?ion-Zellen können bis 4,20 V +/?0,05 V/Zelle geladen werden.

Die Ladezeit beträgt bei den meisten Geräten 3 Stunden. Der Akku bleibt beim Laden kalt. Der volle Ladezustand ist erreicht, wenn eine bestimmte Spannung erreicht und der Strom auf einen konstanten niedrigen Wert abgesunken ist.
Eine Erhöhung des Ladestroms verringert die Ladezeit kaum. Zwar wird die Spannungsspitze mit einem höheren Strom schneller erreicht, doch die Auffüllladung dauert länger. Abbildung 2 zeigt den Spannungs- und den Stromverlauf beim Laden eines Li?ion-Akkus mit den Ladenstufen 1 und 2.

Abbildung 2: Ladestufen eines Li?ion-Akkus. Bei Li-ion-Akkus führt ein höherer Ladestrom nicht zu einer sehr viel kürzeren Ladezeit. Zwar wird die Spannungsspitze schneller erreicht, die Auffüllladung dauert jedoch länger.



Einige Lader sollen Li-ion-Akkus angeblich in einer Stunde laden können. Solche Geräte lassen die Stufe 2 aus und melden einen vollen Akku, wenn die Ansprechspannung am Ende der 1. Stufe erreicht wird. Der Ladezustand beträgt aber erst 70 Prozent. Die Auffüllladung dauert normalerweise doppelt so lange wie die Anfangsladung.

Bei Li?ion kommt keine Erhaltungsladung zur Anwendung, weil diese Akkus keine Überladung vertragen. Dabei würde es zu einer Beschichtung mit dem Lithiummetall kommen, wodurch die Zellen instabil werden. Statt der Erhaltungsladung wird die geringe Selbstentladung über den Akku und den Schutzkreis durch eine kurze Auffüllladung ausgeglichen. Akkuabhängig können Auffüllladungen alle 20 Tage erforderlich sein. Die Auffüllladung wird normalerweise ausgelöst, wenn die Leerlaufspannung des Akkus auf 4,05 V/Zelle abfällt, und wird bei 4, 20 V/Zelle wieder abgeschaltet.

Was passiert, wenn ein Akku versehentlich überladen wird? Li-ion-Akkus können im normalen Spannungsbereich gefahrenlos betrieben werden; sie werden bei höheren Spannungen jedoch instabil. Wird eine Zelle über 4,30 V aufgeladen, setzt sich Lithiummetall auf der Anode ab; die Kathode wird zu einem Oxidationsmittel, verliert ihre Stabilität und gibt Sauerstoff ab. Beim Überladen wird die Zelle warm.

Damit Li?ion-Akkus sicher betrieben werden können, muß ein Überladen und Überentladen verhindert werden. Kommerziell erhältliche Li-ion-Akkupacks sind mit einem Schutzkreis ausgestattet, der verhindert, daß die Spannung beim Laden zu hoch ansteigt. Die obere Ansprechspannung beträgt normalerweise 4,30V/Zelle. Außerdem wird die Ladung abgeschaltet, wenn eine Temperatur von 90 °C erreicht wird. Viele Akkus sind zusätzlich mit Druckschaltern auf den Zellen ausgestattet, die den Ladestrom permanent abschalten, wenn der Ansprechdruck erreicht wird. Ausnahmen bilden einige Spinellpacks (Mangan) mit einer oder zwei kleinen Zellen.

Li-ion-Polymer-Akkus werden ähnlich geladen wie Li?ion-Akkus. Diese Akkus verwenden ein geliertes Elektrolyt, um eine höhere Leitfähigkeit zu erzielen.