Li-Ion vs. NiCad

Lithium-Ionen- (oder Li-Ionen- ) Batterien sind kleiner, wartungsarm und umweltfreundlicher als Nickel-Cadmium - Batterien (auch NiCad-, NiCd- oder Ni-Cd- Batterien genannt). Obwohl sie Ähnlichkeiten aufweisen, unterscheiden sich Li-Ionen- und NiCd-Batterien in ihrer chemischen Zusammensetzung, Umweltbelastung, Anwendungen und Kosten.

Vergleichstabelle

Vergleichstabelle zwischen Li-Ionen und NiCad
Li-Ion NiCad
Spezifische Leistung~ 250- ~ 340 W / kg1800mha
Memory-EffektLeiden Sie nicht unter Memory-EffektLeiden unter Memory-Effekt

Elektrochemie

Eine Nickel-Cadmium-Batterie verwendet Cadmium für die Anode (negativer Anschluss), Nickeloxyhydroxid für die Kathode (positiver Anschluss) und wässriges Kaliumhydroxid als Elektrolyt.

Eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet Graphit als Anode, Lithiumoxid für die Kathode und ein Lithiumsalz als Elektrolyt. Lithiumionen bewegen sich während der Entladung von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode und beim Laden zurück. Elektrochemische Lithium-Ionen-Zellen verwenden im Gegensatz zu Einweg-Lithium-Primärbatterien anstelle von metallischem Lithium eine interkalierte Lithiumverbindung als Elektrodenmaterial.

Umweltbelastung

NiCad-Batterien enthalten zwischen 6% (Industriebatterien) und 18% (Verbraucherbatterien) Cadmium, ein giftiges Schwermetall, das bei der Entsorgung der Batterien besondere Sorgfalt erfordert. Die Bundesregierung stuft es als Sondermüll ein. In den USA ist ein Teil des Batteriepreises eine Gebühr für die ordnungsgemäße Entsorgung am Ende der Lebensdauer.

Die Komponenten von Lithium-Ionen-Batterien sind umweltfreundlich, da Lithium kein gefährlicher Abfall ist.

Kosten

Die Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkus kostet aufgrund der zusätzlichen Schutzschaltung zur Überwachung von Spannung und Strom etwa 40 Prozent mehr.

Betrieb und Leistung

Der größte Nachteil von Nickel-Cadmium-Batterien besteht darin, dass sie unter einem "Memory-Effekt" leiden, wenn sie mehrmals im gleichen Ladezustand entladen und wieder aufgeladen werden. Die Batterie "merkt" sich den Punkt in ihrem Ladezyklus, an dem der Ladevorgang begann, und während der anschließenden Verwendung fällt die Spannung an diesem Punkt plötzlich ab, als ob die Batterie entladen worden wäre. Die Kapazität des Akkus verringert sich jedoch nicht wesentlich. Einige Elektronikgeräte sind speziell dafür ausgelegt, dieser reduzierten Spannung lange genug standzuhalten, damit die Spannung wieder normal wird. Einige Geräte können jedoch während dieser Zeitspanne mit verringerter Spannung nicht arbeiten, und die Batterie erscheint früher als normal "leer".

Ein ähnlicher Effekt, der als Spannungsabfall oder verzögerter Batterieeffekt bezeichnet wird, resultiert aus wiederholtem Überladen. In diesem Fall scheint der Akku vollständig aufgeladen zu sein, entlädt sich jedoch nach nur kurzer Betriebszeit schnell. Bei guter Behandlung kann eine Nickel-Cadmium-Batterie 1.000 Zyklen oder länger halten, bevor ihre Kapazität unter die Hälfte ihrer ursprünglichen Kapazität fällt.

Ein weiteres Problem ist das Rückwärtsladen, das aufgrund eines Fehlers des Benutzers oder wenn eine Batterie mit mehreren Zellen vollständig entladen ist. Durch Rückwärtsladen kann die Akkulaufzeit verkürzt werden. Das Nebenprodukt der Rückladung ist Wasserstoffgas, das gefährlich sein kann.

Bei nicht regelmäßiger Verwendung entwickeln sich Dendriten in NiCad-Batterien. Dendriten sind dünne, leitfähige Kristalle, die die Separatormembran zwischen den Elektroden durchdringen können. Dies führt zu internen Kurzschlüssen und vorzeitigem Ausfall.

Lithium-Ionen-Batterien sind wartungsarm. Sie können aufgeladen werden, bevor sie vollständig entladen sind, ohne einen „Memory-Effekt“ zu erzeugen, und in einem größeren Temperaturbereich betrieben werden. Im Vergleich zu Ni-Cd beträgt die Selbstentladung in Lithium-Ionen weniger als die Hälfte, was es für moderne Kraftstoffanzeigeranwendungen gut geeignet macht. Der einzige Nachteil ist, dass der Lithium-Ionen-Akku zerbrechlich ist und eine Schutzschaltung benötigt, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die Schutzschaltung ist in jedes Pack integriert, wodurch die Spitzenspannung jeder Zelle während des Ladevorgangs begrenzt wird und verhindert wird, dass die Zellenspannung beim Entladen zu niedrig abfällt. Um extreme Temperaturen zu vermeiden, wird auch die Zelltemperatur überwacht.

Größen und Typen

Ni-Cd-Zellen sind von AAA bis D erhältlich, die gleichen Größen wie Alkalibatterien sowie mehrere Mehrzellengrößen. Neben Einzelzellen sind sie in Packungen mit bis zu 300 Zellen erhältlich, die üblicherweise in Automobil- und Hochleistungsindustrieanwendungen eingesetzt werden. Bei tragbaren Anwendungen liegt die Anzahl der Zellen unter 18 Zellen. Es gibt zwei Arten von NiCd-Batterien: versiegelt und belüftet.

Li-Ionen-Batterien sind kleiner, leichter und liefern mehr Energie als Nickel-Cadmium-Batterien. Sie sind auch in einer Vielzahl von Formen und Größen in 4 verschiedenen Formaten erhältlich:

  • Klein zylindrisch (fester Körper ohne Klemmen, wie sie in Laptop-Batterien verwendet werden)
  • Groß zylindrisch (Vollkörper mit großen Gewindeanschlüssen)
  • Beutel (weicher, flacher Körper, wie er in Mobiltelefonen verwendet wird)
  • Prismatisch (halbhartes Kunststoffgehäuse mit großen Gewindeanschlüssen, das häufig in Traktionspaketen von Fahrzeugen verwendet wird)

Die Beutelzellen haben die höchste Energiedichte, da kein Fall vorliegt. Es erfordert jedoch eine externe Form der Eindämmung, um eine Expansion zu verhindern, wenn der Ladezustand (SOC) hoch ist.

Anwendungen

NiCad-Akkus können zu Akkus zusammengebaut oder einzeln verwendet werden. Kleine und Miniaturzellen können in Taschenlampen, tragbarer Elektronik, Kameras und Spielzeug verwendet werden. Sie können hohe Stoßströme mit einem relativ geringen Innenwiderstand liefern und sind daher eine günstige Wahl für ferngesteuerte elektrische Modellflugzeuge, Boote, Autos, schnurlose Elektrowerkzeuge und Kamerablitzgeräte. Größere überflutete Zellen werden zum Starten von Batterien, Elektrofahrzeugen und Standby-Strom verwendet.

Mit Eigenschaften wie hohen Energiedichten, keinem Memory-Effekt und einem langsamen Ladungsverlust bei Nichtgebrauch sind Lithium-Ionen-Batterien die beliebteste Wahl für die Unterhaltungselektronik. Sie werden auch für Militär-, Elektrofahrzeug- und Luftfahrtanwendungen immer beliebter.

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