Nickel-Cadmium-Akku (NiCd)

In alten Akkuschraubern, Schnurlostelefonen und Modellautos waren Nickel-Cadmium-Akkus jahrzehntelang Standard. Heute begegnest du ihnen vor allem in Notleuchten über Fluchtwegen, in Alarmanlagen, in Medizingeräten und als große Industriebatterien in Flugzeugen, Zügen und Umspannwerken. Dort zählen ihre Stärken: Sie vertragen Dauerladung, Hitze, Kälte, Tiefentladung und sehr hohe Ströme. Ihre Schwäche ist das giftige Cadmium – deshalb sind sie für fast alle anderen Zwecke inzwischen verboten.

Aufbau und Funktionsweise

Die positive Elektrode enthält Nickeloxidhydroxid, die negative fein verteiltes Cadmium, der Elektrolyt ist Kalilauge. Beim Entladen wird Cadmium zu Cadmiumhydroxid oxidiert und das Nickeloxidhydroxid zu Nickelhydroxid reduziert; die Lauge wird dabei weder verbraucht noch gebildet. Wie Laden und Entladen grundsätzlich ablaufen, steht unter Sekundärelemente; warum zwei Metalle eine Spannung ergeben, unter galvanische Elemente.

Gängige Rundzellen sind gasdicht gebaut: Die beiden Elektroden sind als lange Bänder mit einem Separator dazwischen aufgewickelt und in einen Stahlbecher eingesetzt, der den Minuspol bildet. Die negative Elektrode hat absichtlich mehr Kapazität als die positive. Ist die Zelle voll, entsteht an der positiven Elektrode zuerst Sauerstoff; er wandert zur negativen Elektrode und reagiert dort wieder zurück. Deshalb verträgt eine NiCd-Zelle ein Überladen mit kleinem Strom (etwa C/10) über lange Zeit, ohne Druck aufzubauen. Bei größeren Fehlern öffnet ein Sicherheitsventil im Pluspol.

Große Industriezellen sind dagegen offen gebaut, mit Taschen- oder Faserplatten in flüssiger Lauge. Sie halten 20 Jahre und länger und brauchen gelegentlich destilliertes Wasser.

Schaltzeichen

Im Schaltplan zeichnest du die Zelle mit dem üblichen Symbol: langer dünner Strich für Plus, kurzer dicker für Minus, Referenz BT oder G (siehe Schaltzeichen). Bei einem Pack schreibst du Zellenzahl und Chemie dazu, etwa „4 × NiCd 4 Ah“.

Kennwerte

Die Entladekurve ist flach: Nach einem kurzen Abfall von etwa 1,3 V hält die Zelle lange 1,2 V und fällt erst am Ende steil ab. Der Innenwiderstand ist sehr klein, was hohe Ströme ermöglicht. Was Nennspannung, Energiedichte und Zyklenzahl im Vergleich mit anderen Typen bedeuten, zeigt Akkus im Vergleich.

Datenblattbeispiel: Saft VNT D

Die VNT D ist eine Mono-Zelle (D) aus einer Hochtemperatur-Reihe für Notbeleuchtung:

Bemerkenswert ist die Standardladung: 16 Stunden mit C/10 schieben 6,4 Ah in eine Zelle mit 4 Ah. Man lädt also bewusst rund 160 % der Kapazität nach, weil ein Teil des Ladestroms nicht gespeichert, sondern zu Wärme und Gas wird, das die Zelle wieder bindet. Mit steigender Temperatur wird das schlimmer: Oberhalb von etwa 45 °C nimmt die Zelle die Ladung deutlich schlechter an; mit C/20 geladen, erreicht sie bei 60 °C nur noch etwa die Hälfte ihrer Nennkapazität.

Memory-Effekt und Lazy-Battery-Effekt

Wird eine NiCd-Zelle immer wieder nur teilweise entladen und dann nachgeladen, bilden sich an der Cadmium-Elektrode allmählich gröbere Kristalle. Bei der nächsten tieferen Entladung sinkt die Spannung ab der Stelle, an der früher immer geladen wurde, um einige zehn Millivolt. Die Ladung ist nicht verloren – sie steht nur auf einer etwas niedrigeren Spannung zur Verfügung. Schaltet ein Gerät knapp oberhalb von 1,1 V pro Zelle ab, wirkt der Akku dann scheinbar „leer“.

Einen ähnlichen Spannungsabfall erzeugt eine jahrelange Dauerladung (Lazy-Battery-Effekt), dort an der positiven Elektrode. Beides lässt sich meist beheben, indem du die Zelle ein- bis dreimal vollständig bis 1,0 V entlädst und wieder voll lädst. Wichtiger als jedes Wundermittel ist ein Gerät, das die Zelle bis 1,0 V nutzt, statt früh abzuschalten.

Laden

• Standardladung: C/10 für 14–16 Stunden, gesteuert über einen Zeitgeber. Einfach und schonend, aber langsam.
• Schnellladung mit 0,5C bis 1C: Die Spannung steigt während der Ladung langsam, erreicht kurz vor „voll“ ein Maximum und fällt dann wieder leicht ab, weil sich die Zelle erwärmt. Der Lader erkennt diesen Abfall von 10–20 mV pro Zelle (-ΔU) oder den schnellen Temperaturanstieg und schaltet ab. Zusätzlich braucht er einen Zeitgeber und eine Temperaturgrenze als Absicherung.
• Erhaltungsladung: Mit C/20 bis C/30 bleibt die Zelle dauerhaft voll; so arbeiten Notleuchten.

Wie Ladeschaltungen und Lade-ICs diese Verfahren umsetzen, erklärt Akkus richtig laden; die Ladekennlinien im Überblick stehen unter Sekundärelemente.

Bauformen

NiCd-Zellen gibt es in den Rundzellen-Größen AA, C und D, als Sub-C für Werkzeuge und Modellbau und in Teilgrößen wie 2/3 AA. Für Geräte, in denen die Zellen fest bleiben, werden sie mit Lötfahnen zu Packs verschweißt und mit Schrumpfschlauch und Stecker geliefert – typisch für Notleuchten mit 3 bis 5 Zellen. Daneben gibt es Hochtemperatur-Reihen für warme Leuchtengehäuse und offene Industriezellen mit 10 bis über 1000 Ah.

Anwendung: Notleuchte

Eine Einzelbatterie-Notleuchte lädt ihren Akku ständig mit kleinem Strom und schaltet bei Netzausfall auf die LED um. Die Leuchte sitzt oft unter der Decke, wo es im Sommer 40 °C und mehr hat – genau dafür sind NiCd-Hochtemperaturzellen gebaut.

Eigene Laufzeiten prüfst du mit dem Rechner für die Akkulaufzeit; Hintergründe zu Wirkungsgrad und nutzbarer Kapazität stehen unter Akku-Laufzeit berechnen.

Rechtslage und Entsorgung

In der EU dürfen Gerätebatterien und -akkus seit 2008 höchstens 0,002 % Cadmium enthalten. Ausgenommen sind Not- und Alarmsysteme einschließlich Notbeleuchtung sowie medizinische Geräte; die Ausnahme für Akkuwerkzeuge ist Ende 2016 ausgelaufen. Industriebatterien, etwa in Flugzeugen und Zügen, fallen nicht unter dieses Verbot. Für neue Konsumgeräte ist NiCd damit keine Option mehr – nimm einen NiMH-Akku oder einen Lithium-Ionen-Akku.

Alte NiCd-Akkus gehören unbedingt in die Batteriesammlung oder zum Wertstoffhof. Cadmium ist giftig, wird aber aus den gesammelten Zellen zurückgewonnen.

Auswahl und Praxistipps

Wenn du heute eine NiCd-Zelle einsetzt, dann meist als Ersatz in einem bestehenden Gerät oder in einer Notleuchte. Achte auf die richtige Reihe: Standardzellen altern bei Dauerladung in warmer Umgebung schnell, Hochtemperaturzellen sind dafür gebaut.

Häufige Fehler:

• Zellumpolung im Pack: Entlädst du mehrere Zellen in Reihe sehr tief, wird die schwächste zuerst leer und von den anderen umgepolt. Dabei entsteht Wasserstoff, die Zelle wird dauerhaft geschädigt. Schalte bei 1,0 V pro Zelle ab, also bei 4,0 V für vier Zellen.
• Schnellladung ohne Abschaltung: Mit 1C ohne -ΔU- oder Temperaturerkennung wird die Zelle heiß und bläst über das Ventil ab.
• Lagern im vollen Zustand: Die hohe Selbstentladung leert die Zelle ohnehin binnen Monaten; vor dem Einsatz immer vollständig laden.
• NiMH-Zellen als Ersatz in einer NiCd-Notleuchte: Die Dauerladung mit C/20 bei hoher Temperatur vertragen viele NiMH-Zellen schlecht. Nimm Zellen, die der Hersteller für Notbeleuchtung freigibt.

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