Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH)

Wenn du in der Schublade aufladbare Mignon- oder Micro-Zellen findest, sind es fast sicher NiMH-Akkus. Sie ersetzen Einwegbatterien in Kameras, Spielzeug, Funkmäusen, Taschenlampen und Messgeräten, stecken als Pack in Schnurlostelefonen, Solarleuchten, Staubsaugerrobotern und Modellautos – und in vielen Hybridautos. Sie sind sicher, unkompliziert und brauchen keine Schutzelektronik pro Zelle. Für dich als Entwickler sind sie die einfachste Möglichkeit, ein Gerät mit 2,4 bis 12 V aufladbar zu machen.

Aufbau und Funktionsweise

Der NiMH-Akku ist der Nachfolger des NiCd-Akkus. Die positive Elektrode ist dieselbe – Nickeloxidhydroxid –, der Elektrolyt ebenfalls Kalilauge. Statt Cadmium enthält die negative Elektrode aber eine Metalllegierung, die Wasserstoff in ihr Kristallgitter einlagert wie ein Schwamm. Meist ist das eine Nickelverbindung mit Lanthan und anderen Seltenen Erden. Beim Entladen gibt die Legierung den Wasserstoff ab, der mit der positiven Elektrode reagiert; beim Laden wird er wieder eingelagert. Die Reaktionsgleichung steht unter Sekundärelemente.

Mechanisch gleicht die Zelle der NiCd-Zelle: zwei lange Elektrodenbänder mit Separator, aufgewickelt in einem Stahlbecher, der den Minuspol bildet. Oben sitzt ein Sicherheitsventil im Pluspol. Auch hier wird Sauerstoff, der beim Überladen entsteht, an der negativen Elektrode wieder gebunden – allerdings verträgt NiMH Überladung schlechter als NiCd und wird dabei deutlich wärmer.

Schaltzeichen

Die Zelle zeichnest du mit dem üblichen Batteriesymbol: langer dünner Strich für Plus, kurzer dicker für Minus, Referenz BT (siehe Schaltzeichen). Bei Packs nennst du Zellenzahl, Chemie und Kapazität, etwa „4 × NiMH 2000 mAh“.

Kennwerte

Beim Entladen fällt die Spannung zuerst schnell von etwa 1,4 V auf 1,25 V, bleibt dann lange flach und bricht am Ende steil ein. Der kleine Innenwiderstand sorgt dafür, dass die Spannung auch bei einigen Ampere kaum nachgibt. Wie sich das im Vergleich zu Alkali-Zellen auswirkt, zeigt Batteriegrößen im Vergleich.

Selbstentladung und LSD-Zellen

Klassische NiMH-Zellen verlieren in den ersten Wochen rasch Ladung – oft ein Fünftel bis ein Drittel im ersten Monat bei Raumtemperatur, in der Wärme mehr. Ein voll geladener Akku war nach einem halben Jahr in der Schublade praktisch leer.

LSD-Zellen (Low Self-Discharge) lösten das um 2005 mit verbesserten Legierungen und Separatoren. Sie werden geladen verkauft („ready to use“) und halten ihre Ladung über Jahre. Ein bekanntes Beispiel ist die Eneloop-Reihe von Panasonic:

Die Zyklenangabe gilt für den genormten Prüfablauf mit Teilentladungen; bei voller Entladung und Schnellladung sind 500–1000 Zyklen realistischer. Hochkapazitive Zellen mit 2500 mAh und mehr erkauft der Hersteller mit weniger Zyklen und etwas höherer Selbstentladung.

Bauformen

NiMH gibt es in allen Rundzellen-Größen von AAA bis D, als 9-V-Block (meist 7 Zellen mit 8,4 V Nennspannung) und in Teilgrößen wie 2/3 AA oder Sub-C. Für den festen Einbau gibt es Zellen mit Lötfahnen und fertige Packs mit Schrumpfschlauch und Stecker, etwa 4,8 V (4 Zellen), 7,2 V (6 Zellen) oder 9,6 V (8 Zellen).

Laden

NiMH-Akkus werden mit konstantem Strom geladen – die Spannung stellt sich selbst ein. Schwierig ist nur, das Ende richtig zu erkennen:

• Normalladung mit C/10 über 14–16 Stunden, begrenzt durch einen Zeitgeber. Die leichte Überladung am Ende verträgt die Zelle.
• Schnellladung mit 0,5C bis 1C: Kurz vor „voll“ erreicht die Spannung ein Maximum und sinkt danach um wenige Millivolt pro Zelle, weil sich die Zelle erwärmt. Gute Lader schalten bei diesem -ΔU (bei NiMH nur 5–10 mV pro Zelle) oder schon beim Spannungsmaximum ab. Sicherer ist zusätzlich der Temperaturanstieg: Steigt die Zelltemperatur um etwa 1 K pro Minute, ist sie voll.
• Erhaltungsladung höchstens mit C/40 bis C/20, besser gar nicht: Dauerladung verkürzt bei NiMH die Lebensdauer.

Lade-ICs, die das alles erledigen, stellt Akkus richtig laden vor. Eine einfache Normalladung kannst du aber auch selbst bauen – mit einem LM317 als Konstantstromquelle.

Typische Anwendungen

• Batterieersatz in AA- und AAA-Geräten, besonders mit hohem Strom: Bei 500 mA liefert eine Alkali-Mignonzelle nur noch rund 1300 mAh, ein NiMH-Akku mit 1900 mAh dagegen fast seine volle Kapazität (siehe Alkali-Mangan-Batterie).
• Akkupacks in Schnurlostelefonen, Rasierern, Solarleuchten, Modellbau und Medizingeräten.
• Fahrzeuge: Viele Vollhybride nutzen große NiMH-Packs, weil sie robust und langlebig sind.

Laufzeiten rechnest du wie bei jedem Akku aus Kapazität und Strom; der Rechner für die Akkulaufzeit berücksichtigt auch den Wirkungsgrad eines Spannungswandlers. Hintergründe stehen unter Akku-Laufzeit berechnen.

Auswahl und Praxistipps

Für Geräte mit Standardzellen nimmst du LSD-Zellen mit 1900–2000 mAh (AA) – sie sind der beste Kompromiss aus Kapazität, Zyklen und Haltbarkeit. Für einen festen Pack legst du die Zellenzahl so fest, dass die Spannung auch bei 1,0 V pro Zelle noch für deine Schaltung reicht.

Häufige Fehler:

• Zellen unterschiedlichen Alters oder Typs in Reihe: Die schwächste Zelle wird zuerst leer und dann umgepolt. Lade und nutze Zellen immer als Satz.
• Tiefentladung im Gerät: Schalte bei 1,0 V pro Zelle ab. Ein Gerät, das bis 0,6 V pro Zelle weiterläuft, polt die schwächste Zelle um.
• Schnellladung ohne Ladeende-Erkennung: Ein einfaches Netzteil mit Widerstand lädt ohne Ende weiter, die Zellen werden heiß und altern schnell.
• Dauerladung in warmer Umgebung: NiMH verträgt sie schlecht. Lade voll und schalte dann ab oder auf einen sehr kleinen Erhaltungsstrom.
• Laden in der Kälte: Unter 0 °C nimmt die Zelle Ladung schlecht an, es bildet sich Gas.

NiMH kennt keinen nennenswerten Memory-Effekt. Ein regelmäßiges „Formieren“ durch volles Entladen ist nicht nötig und kostet nur Zyklen. Nach langer Dauerladung kann die Spannung etwas absinken; ein einziger voller Zyklus behebt das meist.

Alte NiMH-Akkus gehören in die Batteriesammlung. Nickel und Seltene Erden werden zurückgewonnen. Wo du mehr Energie pro Gewicht brauchst, ist der Lithium-Ionen-Akku die nächste Stufe – mit deutlich mehr Aufwand für Laden und Schutz.

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