Nickel-Zink-Akkumulator

2024-01-06T16:47:10Z

134.255.192.11: Typo

[[Datei:Akku NiZn AAA AA by NicoJenner.jpg|miniatur|NiZn Akkus von verschiedenen Herstellern in den Größen AA und AAA]]

Ein '''Nickel-Zink-Akkumulator''' ('''NiZn-Akku''') ist ein [[Akkumulator]] aus den Stoffen [[Nickel]] und [[Zink]].

== Geschichte ==
Wenngleich dieser Akkumulatortyp bereits 1901 von [[Thomas Alva Edison]] patentiert wurde, konnte erst ab den 2000er Jahren technologisch die Zink-[[Elektrode]] soweit stabilisiert werden, dass dieser Akkutyp praktisch verwendbar wurde.<ref>{{Patent |Land=US |V-Nr=684204 |Titel=Reversible Galvanic Battery |A-Datum=1900-10-31 |V-Datum=1901-10-08 |Erfinder=Thomas Alva Edison}}</ref> Erste Nickel-Zink-Akkus hatten nur eine geringe Anzahl an Ladezyklen, da die [[Zinkelektrode]] durch [[Passivierung]] ihre Funktion verlor. In den 1960er Jahren wurden Nickel-Zink-Akkus als eine Alternative zu [[Silber-Zink-Akkumulator]]en in militärischen Anwendungen in Erwägung gezogen, wegen ihrer geringen Zyklenanzahl aber wieder verworfen.<ref>[https://web.archive.org/web/20110225142342/http://www.powergenix.com:80/?q=battery-technology-history A Brief History of Battery Developments], engl., abgefragt am 9. Februar 2011.</ref>

Mit Stand Anfang 2011 sind NiZn-Zellen in der Bauform einer [[Mignon (Batterie)|Mignonzelle]] (''AA-Zelle'') für allgemeine Anwendungen verfügbar. Der interessanteste Aspekt dabei ist die Spannung von ca. 1,6 [[Volt (Einheit)|V]] pro Zelle, was bei Geräten, welche auf [[Alkali-Mangan-Batterie]]n und deren 1,5 [[Volt (Einheit)|V]] ausgelegt sind, einen Vorteil darstellt. Herkömmliche Akkumulatoren in Mignonzellenform wie [[Nickel-Cadmium-Akku]]mulatoren (NiCd) oder [[Nickel-Metallhydrid-Akkumulator]]en (NiMH) sind zwar preiswerter, weisen dafür aber nur eine Zellspannung von 1,2 V auf. Aufgrund der unterschiedlichen Spannungen sind für NiZn-Zellen allerdings auch spezielle Ladegeräte notwendig.<ref name="END">{{Internetquelle |autor=Mathias Bloch |url=http://www.elektroniknet.de/power/energiespeicher/artikel/97943/ |titel=Der Nickel-Zink-Akku |werk=elektroniknet.de |hrsg=Weka Fachmedien GmbH |datum=2013-05-28 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20170915232552/http://www.elektroniknet.de/elektronik/power/der-nickel-zink-akku-97943.html |archiv-datum=2017-09-15 |abruf=2021-03-18}}</ref>

Seit der Verbreitung im Consumer-Markt verdrängt die Nickel-Zink-Technologie die [[Alkali-Mangan-Zelle#RAM-Zellen|wiederaufladbaren Alkali-Mangan-Akkus]], abgekürzt RAM-Zellen, die mit ihren 1,5 Volt Nominalspannung ebenfalls ein Ersatz für einmal nutzbare Batterien sind.

Mittlerweile werden auch prismatische 12-V-Nickel-Zink-Akkus für Anwendungen in [[Hybridfahrzeug]]en hergestellt und getestet.<ref name="END" />

Neueste Entwicklungen (Stand 2016) zielen auf poröse schwammartige Strukturen der Zink-Anode ab. Dadurch konnte die Bildung von [[Dendrit (Kristallographie)|Dendriten]] im Zink verhindert und die Anzahl der Ladezyklen deutlich erhöht werden.<ref>
{{Internetquelle |url=http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/nickel-zink-akku-koennte-lithium-ionen-akku-ersetzen-a-1145282.html |titel=Leicht und leistungsfähig: Nickel-Zink-Akku soll Standardmodelle ersetzen |autor= |werk=[[Spiegel Online]] |datum=2017-04-28 |zugriff=2017-10-12}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Joseph F. Parker, Christopher N. Chervin, Irina R. Pala, Meinrad Machler, Michael F. Burz, Jeffrey W. Long, [[Debra R. Rolison]] |Titel=Rechargeable nickel–3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithium-ion |Sammelwerk=Science |Band=356 |Nummer=6336 |Datum=2017 |Seiten=415-418 |DOI=10.1126/science.aak9991}}</ref>

== Vor- und Nachteile im Vergleich mit NiMH-Akkus ==
[[Datei:Messung Entladung Akkumulatoren NiZn NiMH NiCd.png|mini|Entladungskurve von einem NiZn-, NiMH- und NiCd-Akkumulator]]
; Vorteile
* hohe Spannungslage
* hoher Wirkungsgrad
* hohe Leistung
* gute Leistung auch bei Kälte
* geringe [[Selbstentladung]] in den ersten Monaten

; Nachteile
* geringere Kapazität als Hochkapazitäts-NiMH-Akkus
* weniger Zyklen als [[NiMH-Akkumulator mit geringer Selbstentladung]] (Low-Self-Discharge)
* sehr steiler Spannungsabfall zum Ende der Kapazität
* spezielles Ladegerät erforderlich
* längere Ladezeiten durch [[Ladeverfahren#IU-Ladeverfahren (CCCV)|CC-CV-Ladeverfahren]]
* Preis höher<ref>[http://www.pocketnavigation.de/2016/02/aa-nizn-nickel-zink-akku/ NiZn: Nickel-Zink Akkus als Alternative?] pocketnavigation.de</ref>
* die Entladeschlussspannung von 1,2 V kann in Verbrauchern, die auf den Betrieb mit NiCd oder NiMH ausgelegt sind, das Auftreten einer unbemerkten [[Tiefentladung]] begünstigen und den Akku schädigen.

== Elektrochemie ==
Bei dem Entladevorgang, dieser geht mit Pfeilrichtung nach rechts, bzw. dem Ladevorgang mit Pfeilrichtung nach links, lautet die Reaktionsgleichung an der positiven Elektrode, welche 0,49 V liefert:

:<math>2\mathrm{NiOOH} + 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O} + 2\mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons 2\mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_{2} + 2\mathrm{OH}^{-}</math>

Das [[Nickel(III)-oxidhydroxid]] nimmt die vom [[Zink]] abgegebenen Elektronen auf und reagiert mit Wasser zu [[Nickel(II)-hydroxid]] und [[Hydroxidion]]en.
Die Reaktionsgleichung an der negativen Elektrode, welche 1,24 V liefert, lautet:

:<math>\mathrm{Zn} + 2\mathrm{OH}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{Zn}(\mathrm{OH})_{2} + 2\mathrm{e}^{-}</math>

Dabei reagiert elementares [[Zink]] mit [[Hydroxidion]]en unter Abgabe von Elektronen zu [[Zinkhydroxid]].
Die Gesamtreaktion ergibt sich zu:

:<math>2\mathrm{NiOOH} + 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O} + \mathrm{Zn} \rightleftharpoons 2\mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_{2} + \mathrm{Zn}(\mathrm{OH})_{2}</math>

Im geladenen Zustand liegt also an den [[Elektrode]]n [[Zink]] und [[Nickel(III)-oxidhydroxid]] mit Wasser vor. Im entladenen Zustand kommen [[Zinkhydroxid]] und [[Nickel(II)-hydroxid]] vor<ref>{{Literatur |Autor=Peter Birke, Michael Schiemann |Titel=Akkumulatoren: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft elektrochemischer Energiespeicher |Datum=2013 |Seiten=167}}</ref>.

Die Leerlaufspannung nach Ladung beträgt 1,73 V, die [[Ladeschlussspannung]] liegt bei ca. 1,90 V, die Entladeschlussspannung liegt bei ca. 1,2 V. Die [[Energiedichte|gravimetrische Energiedichte (spezifische Energie)]] liegt zwischen 65 und 120 Wh/kg<ref>[http://www.elektroniknet.de/power/energiespeicher/artikel/97943/1/ Der Nickel-Zink-Akku], elektroniknet.de, 28. Mai 2013, Teil 2.</ref>, das ist in etwa gleich wie bei [[Nickel-Metallhydrid-Akku]]mulatoren, jedoch weniger als beim [[Lithium-Ionen-Akkumulator]].

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor = Dwaine Coates, Allen Charkey
|Titel = Handbook of Batteries, Chapter 31
|Herausgeber = David Linden |Verlag = McGraw-Hill | Auflage = 2. | Jahr = 2002 | ISBN = 978-0071359788 }}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Galvanische Zellen}}

[[Kategorie:Akkumulator]]
[[Kategorie:Nickel]]
[[Kategorie:Zink]]

Wikipedia (Deutsch) – Lokale Kopie - Benutzerbeiträge [de]

Nickel-Zink-Akkumulator