Akkulebensdauer

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Hinweis: Diese Seite wurde ursprünglich für Akkus der Nixx -Technologie verfasst. Obwohl die meisten Informationen auch auf Lixx -Typen anwendbar sind, sollte sie dahingehend überarbeitet werden.

Die Lebensdauer eines Akkus wird im allgemeinen in Zyklen, d.h. Lade- und Entladevorgängen angegeben. Man könnte sie definieren als die Zahl der Zyklen, die ein Akku mit mehr als 80% seiner Nennkapazität übersteht.

Hersteller geben mitunter viele hundert bis wenige tausend mögliche Zylen an. In der Praxis wird das nicht erreicht, denn es gibt eine Reihe von Faktoren im Alltagsbetrieb, die sich negativ auf die Lebensdauer auswirken.


Lebensdauer verkürzende Faktoren

Überdruck und Überhitzung

Überhitzung ist die wohl effektivste Methode, Zellen elektrisch zu zerstören. Schon bei 40° C beginnen NiMH-Zellen, Schaden zu nehmen. Ab dieser Temperatur beschleunigt sich der Alterungsprozeß der Zelle deutlich. Das gilt bedingt auch für NiCd, obwohl hier 40°C noch eine übliche Arbeitstemperatur ist. Dies ist aber weniger das Problem, als der Überdruck, der bei Überhitzung entsteht. Zellen haben Sicherheitsventile, die ab einem bestimmten Innendruck öffnen. Wenn dies geschieht, verliert die Zelle Elektrolyten und chemisch gebundene Reaktionsmasse, und damit Kapazität. Der Innendruck hat drei Anteile: - Reaktionsdruck. Bei Lade- und Entladevorgängen befindet sich immer ein bestimmter Anteil freier H und O- Ionen in der Reaktionsmasse und sorgt dadurch für Gasdruck. Dieser Anteil steigt mit dem fließenden Strom. Es kann einige Zeit vergehen, bis die Ionen wieder vollständig rekombiniert haben, so dass dieser Druck sich nach Ladung und Entladung nur allmählich abbaut. Bei Ladung und Entladung mit C ist dieser Druck vernachlässigbar. Bei Höchststrom-Entladungen mit 20C und mehr ist sein Anteil hingegen schon nahe der Überdruckgrenze. - Temperatur. Je höher die Temperatur, desto höher der Druck (Boyle). Dieser Druck addiert sich zum Reaktionsdruck. Eine Sonderform des Drucks durch Übertemperatur ist der Dampfdruck. Er entsteht, wenn auch nur stellenweise die Temperatur sehr hoch wird, und dadurch der Elektrolyt zu kochen beginnt. In dem Moment bilden sich Dampfblasen, der Innendruck steigt drastisch an, und die Sicherheitsventile öffnen. Dieser Zustand ist bei Hochstromzellen nach wenigen Sekunden Kurzschluß erreicht, und die Zelle gast ab, noch bevor sie heiß wird.

Die verschiedenen Ursachen des Überdrucks verlangen nach verschiedenen Maßnahmen zu ihrer Vermeidung. Die einfachste ist natürlich, den Akku nicht zu hoch zu belasten. Leider gibt es keine allgemeinen Regeln, wie sehr ein Akku belastet werden kann, bis sein Reaktionsdruck zu hoch wird. Während z.B. eine RC2400 bei der Belastung mit 20C kaum richtig warm wird, kann eine Twicell2300 fast gleicher Kapazität (und des selben Herstellers) dabei glatt explodieren. Hier kann man sich nur an Erfahrungswerten orientieren, die ja nicht unbedingt die eigenen sein müssen.

Akkutemperatur bei Hochstromentladung

Manche Spezialisten belasten bestimmte Akkus mit 40 C und mehr. Das geht nur, wenn man den Akkus anschließend Ruhepausen gönnt, damit sich der Reaktionsdruck abbauen kann. In jedem Fall ist es sinnvoll, Überhitzung zu vermeiden. Die Ursache der Erhitzung ist entgegen der allgemeinen Annahme keineswegs nur die Höhe des entnommenen Stroms, sondern vor allem die Restkapazität des Akkus. Bei jedem Akku steigt der Innenwiderstand und damit die Wärmeentwicklung gegen Ende der Entladung deutlich an. Wenn also gesagt wird, man könne 3600er Sub-C NiMHs ohne weiteres mit 40 A belasten, so macht es einen deutlichen Unterschied, ob ein Hotlinerpilot das tut, der die Restkapazität noch aussegelt, oder ein Hubschrauberpilot, der für die gesamte Flugdauer die volle Leistung braucht. Übrigens ist die Verwendung 'gepushter' Akkus bei hoher Belastung immer vorzuziehen, da ihre Wärmeentwicklung gegenüber ungepushten des gleichen Typs geringer ist.

Umpolung

Die wohl häufigste Ursache für die Beschädigung von Zellen in Akkupacks ist die Umpolung einzelner Zellen. Gemeint ist damit der Effekt, den eine leere Zelle erlebt, wenn die sie umgebenden Zellen noch Ladung haben. In dem Fall fließt der Entladestrom weiter hindurch, und da sie einen Innenwiderstand hat, nimmt sie Strom in umgekehrter Richtung auf. Was dabei passiert, hängt vom Akkutyp ab; in jedem Fall sind Kapazitätsverluste unvermeidlich. Gemeinerweise trifft dies auch immer die schwächste Zelle, die dadurch noch weiter abbaut. Es liegt in der Natur der Sache, dass die Gefahr der Umpolung mit dem entnommenen Strom und mit der Zahl der Zellen im Pack zunimmt. Bei Vier- oder Sechszellern ist der finale Spannungseinbruch der schwächsten Zelle viel deutlicher spürbar als bei einem Zwanzigzeller. Bei vielzelligen Akkus kann selbst die Entladestufe des Ladegeräts einzelne Zellen versehentlich umpolen.

Überladung

Überladung mit hohem Strom bewirkt zunächst, dass der Akku heiß wird, wenn er die Energie nicht mehr chemisch umsetzen kann. Die Folgen der Überhitzung wurden bereits beschrieben. Die Überladung mit geringeren Strömen ist nicht direkt schädlich. Das ist auch gut so, denn sonst ließen sich Packs nicht formieren. NiCd vertragen meist mehrere Stunden Überladung mit C/5, bei NiMH ist es höchstens C/10. Ganz unschädlich ist sie aber auch nicht. Es gibt einen Effekt der 'inneren Verschmutzung', eine Diffusion der Anoden- und Kathodenatome (Cd-Migration), der zwar sehr gering ist, aber immer dann auftritt, wenn Strom fließt. Die sogenannte 'Erhaltungsladung' oder 'trickle charge' sorgt z. B. für einen ständigen Stromfluß. Das ist der Grund, warum z. B. die Akkus ständig in der Ladeschale liegender Schnurlostelefone nach 1-2 Jahren verbraucht sind.

Überlastung

Wählt man Lade- oder Entladestrom für einen Akku zu hoch, überlastet man ihn. Hersteller geben zumeist die maximale Belastbarkeit eines Akkus in vielfachen der Kapazität C an. Allerdings muss man Impuls- und Dauerbelastbarkeit unterscheiden.


Lebensdauer von Akkupacks

Im Modellbau verwenden wir keine Einzelzellen, sondern immer Packs aus 4 bis über 30 Zellen. Prinzipbedingt sind solche Packs in ihrer Lebensdauer gegenüber Einzelzellen noch einmal erheblich benachteiligt, denn es kommen weitere Effekte hinzu, die ihre mögliche Zyklenzahl verringern.

Ein Pack wird immer als Gesamtheit geladen und entladen. Dabei sind die einzelnen Zellen nicht identisch, und das wird ihnen und damit auch dem Pack über kurz oder lang zum Verhängnis.

Lebensdauer von Akkupacks

Bei den Car-Fahrern ist es eine verbreitete Methode, durch geeignete Vorrichtungen die Zellen eines Packs einzeln zu entladen. Deren Packs leben tatsächlich deutlich länger! Leider lässt sich diese Methode nicht mit vertretbarem Aufwand auf die Packs mit höherer Zellenzahl, wie sie im Flug- und Schiffsmodellbau eingesetzt werden, übertragen. Ursache für die vergleichbar geringe Lebensdauer von Packs sind Disformierungseffekte, die sich früher oder später bei jedem Akkupack einstellen. Sie treffen immer nur die schwächste Zelle des Packs, die dadurch relativ schnell so stark geschädigt wird, dass sie unbrauchbar wird. Betrachtet man nur das gesamte Pack, stellt man nach einiger Zeit ein Nachlassen der Lade- und Entladekapazitäten fest. Häufig wirft nun der Fehler gemacht, zu glauben, dass alle Zellen des Packs in der Kapazität nachgelassen haben. Meistens sind es aber nur eine oder zwei Zellen, die bereits stark geschädigt sind, während der Rest sich bester 'Gesundheit' erfreut und dennoch als 'unbrauchbar' entsorgt werden.

...wird bei Gelegenheit fortgesetzt...