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Metallkristalle machen alles kompliziert

Der Memory-Effekt geht hauptsächlich auf die Zeit zurück, als Nickel-Cadmium-Akkus gebräuchlich waren. Wenn die Akkus nicht vollständig entladen wurden, merkten sie sich scheinbar diesen Ladestand und verloren an Kapazität. Gerade wenn die Akkus regelmäßig nur auf ein bestimmtest Niveau entladen wurden, mussten die Besitzer damit rechnen, die Restkapazität des Akkus nicht normal nutzen zu können.

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Beim Laden dieser Akkus entsteht aus dem Cadmiumhydroxid der Anode reines Cadmiummetall, mit Hilfe von zwei Elektronen. Das Cadmium in den Akkus entsteht nicht einfach als blanke Schicht Metall, die dann immer dicker wird, sondern als Kristalle, die beim Laden des Akkus in Richtung der Kathode wachsen. Das führt dazu, dass diese Kristalle den Akku durch einen Kurzschluss zerstören können, wenn er zu schnell geladen wird und die Kristalle die Kathode erreichen.

Die Akkus konnten deshalb aus Sicherheitsgründen nur sehr langsam geladen werden, auch wenn sie viel Strom in kurzer Zeit abgeben konnten. Zum Memory-Effekt kam es, weil die Kristalle beim Entladen von der Spitze her abgebaut werden. Wenn der Akku nicht vollständig entladen wird, bleiben aber einige Kristallstümpfe übrig. Wenn der Akku dann geladen wird, fangen die Stümpfe an, auch im Umfang zu wachsen. Das ist in der Chemie aber ein Problem. Denn die gesamte Akkuchemie spielt sich an der Oberfläche des Cadmiums ab. Ein dicker Cadmiumkristall hat aber viel weniger Oberfläche als ein dünner Kristall. Die Reaktion läuft also langsamer ab und der Akku kann weniger Strom abgeben.

Wenn so ein Akku mit dicken Kristallstümpfen und dünnen Kristallspitzen entladen wird, funktioniert zuerst alles normal. Aber sobald die Spitzen aufgebraucht sind und nur noch die Stümpfe übrig bleiben, kann der Akku nur noch eine viel kleinere Stromstärke abgeben, ohne an Spannung zu verlieren. Das Ergebnis? Plötzlich scheint die Glühbirne in der Taschenlampe weniger hell, der Gameboy schaltet sich ab und der Walkman leiert - obwohl der Akku noch gar nicht leer ist.

Beim vollständigen Entladen eines Nickel-Cadmium-Akkus werden alle Kristalle und Kristallstümpfe wieder aufgelöst. Beim nächsten Ladevorgang entstehen wieder neue, dünne Kristalle und der Akku funktioniert wieder wie gewohnt. Die Kathode des Akkus hat diese Probleme nicht. Dort entsteht beim Laden Nickeloxidhydroxid aus Nickelhydroxid, das keine so drastische Formänderung durchmacht.

Mit Wasserstoff verschwand der Memory-Effekt

Deshalb verschwand der Memory-Effekt auch schon bei der Einführung der Nickel-Metallhydrid-Akkus, weil dort kein Metall an der Anode entsteht. Erst in den 1960er Jahren wurde die Chemie des Lade- und Entladevorgangs mit Infrarotspektrometern untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass das Cadmium zwar dem Cadmiumhydroxid seine Struktur gibt, aber darüber hinaus völlig unbeteiligt an der elektrochemischen Reaktion ist. Es konnte durch andere Atome ersetzt werden, die leichter sind und damit die Kapazität des Akkus erhöhen würden.

Das leichteste Atom ist Wasserstoff, und so wurde der Nickel-Wasserstoff-Akku entwickelt. Beim Laden entsteht dort Wasserstoffgas statt Cadmium. Die Energiedichte stieg, aber der Akku musste in einem aufwendigen Druckbehälter eingeschlossen werden. Dafür zeichnen sie sich durch sehr gute Zyklenfestigkeit aus, weshalb sie in der Raumfahrt für Satelliten benutzt wurden, die im niedrigen Erdorbit kreisen.

Ein Tag dauert dort nur 90 Minuten, so dass die Akkus Zehntausende Ladezyklen durchmachen müssen, einen alle 90 Minuten. Die letzten Nickel-Wasserstoff-Akkus auf der Internationalen Raumstation ISS wurden erst dieses Jahr gegen Lithium-Akkus ausgetauscht. Das Hubble Space Telescope benutzt sie noch immer.

Die später so verbreiteten Nickel-Metallhydrid-Akkus sind chemisch gesehen nichts anderes als Nickel-Wasserstoff-Akkus. Der Wasserstoff wurde ursprünglich mit Hilfe von Lanthan gespeichert, ein Metall der seltenen Erden. Es kann sich leicht mit Wasserstoff verbinden und es genauso leicht wieder abgeben, so dass auf den schweren Druckbehälter verzichtet werden konnte. Trotz des Gewichts des Lanthans stieg dabei auch die Energiedichte. Später wurde das Lanthan durch ein Mischmetall aus verschiedenen seltenen Erden ersetzt, das billiger und in der Aufgabe kaum schlechter war. Aber auch hier kommt es bei der Aufnahme und Abgabe von Wasserstoff nicht zu einem merklichen Memory-Effekt.

Der Memory-Effekt könnte aber in Zukunft ein Comeback bei Lithium-Ionen-Akkus machen. Dort wird das Lithium auf der Anodenseite zurzeit in Graphit eingelagert, weil es ohne das Graphit zu einem sehr starken Kristallwachstum neigt. Die Forschung geht nun dahin, zur Gewichtseinsparung dennoch auf das Graphit zu verzichten und zumindest zu verhindern, dass die Kristalle zu stark in Richtung Kathode wachsen und den Akku durch Kurzschlüsse zerstören. Bei einigen Konstruktionen im Labor kann das Kristallwachstum aber nur gezähmt und nicht verhindert werden, womit es dort wieder zum Memory-Effekt kommt. Anders als bei den einfachen Ladegeräten der Nickel-Cadmium-Akkus sollte moderne Elektronik dann aber in der Lage sein, dem Memory-Effekt rechtzeitig entgegenzuwirken.

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 Akku-FAQ: Vergesst den Memory-Effekt - vorerst!
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pierre-schmitz 14. Okt 2019

Kann der Autor auch ein paar praktische Fragen beantworten? Was ist mit dem Laptop als...

probeo 01. Okt 2019

nach ca. 10 Jahren ist der Akku DOCH ausgelutscht. Hersteller geben dann noch Garantie...

crack_monkey 01. Okt 2019

Verwende deinen Elan nicht dazu ihm was zu erklären. Den kannst du nicht ändern, deswegen...

crack_monkey 01. Okt 2019

Hast du auf den falschen Post geantwortet?

Labbm 30. Sep 2019

Jeder Akku ist Wechselbar, nur der Aufwand dahinter ist ein anderer. Ganz ehrlich? Ich...


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