NiMH-Akku

Aufbau

Im Prinzip ist ein NiMH-Akku wie jeder andere Akkumulator aufgebaut. In einem meist rundem Behälter befinden sich zwei Elektroden, die durch einen Separator voneinander getrennt sind, der bestimmte Ionen passieren lässt, andere dagegen nicht.

Negative Elektrode

Die negative Elektrode besteht - wie der Name des NiMH-Akkus schon andeutet - aus einer Nickel-Legierung.

Positive Elektrode

Die positive Elektrode besteht aus einem Nickelsalz, dessen Zusammensetzung vom Ladezustand des Akkus abhängig ist:

• Geladen: Nickel(III)Oxyhydrat NiO(OH)
• Entladen: Nickelhydroxid Ni(OH)₂

Elektrolyt

Als Elektrolyt wird 20%ige Kalilauge KOH verwendet.

Ladevorgang

Positive Elektrode

Ni(OH)₂ + OH^- → NiO(OH) + H₂O + e^-

Im Ni(OH)₂ liegt das Nickel als Ni²⁺-Ion vor, im NiO(OH) dagegen als Ni³⁺. Begleitet wird diese Oxidation von einer Protolyse. Das freigesetzte Elektron wird dann von der positiven Elektrode aufgenommen.

Einzelreaktionen

Das bei dieser Reaktion freigesetzte Elektron wird durch die Oxidation des Nickel-Ions Ni²⁺ gewonnen:

Ni²⁺→ Ni³⁺ + e^-

Das eine der beiden Hydroxid-Ionen des Ni(OH)₂ gibt ein Proton an das zusätzliche OH^--Ion ab:

OH^- → O^2- + H⁺

OH^- + H⁺ → H₂O

Es handelt sich also um eine Protolyse nach Brönsted, das eine Hydroxid-Ion tritt als Protonen-Donator auf, das andere als Protonen-Akzeptor. Daher ist es auch erforderlich, die Reaktion in einem alkalischen Milieu ablaufen zu lassen, in dem genug OH^--Ionen zur Verfügung stehen. Und alkalisch ist das Milieu mit Sicherheit, immerhin handelt es sich bei dem Elektrolyten um eine 20%ige Kalilauge KOH mit einem pH-Wert von 15!

Negative Elektrode

M + H₂O + e^- → MH + OH^-

Das Symbol M steht hier für eine recht komplex zusammengesetzte Nickel-Legierung. Laut Wikipedia hat diese Nickel-Legierung die folgende Zusammensetzung:

La_0,8Nd_0,2Ni_2,5Co_2,4Si_0,1

Die Legierung besteht also zu ungefähr gleichen Teilen aus Nickel und Cobalt und enthält geringe Mengen von Lanthan, Neodym und Silicium.

Einzelreaktionen

Nach der obigen Gesamtgleichung scheint sich die Legierung selbst nicht chemisch zu verändern. Das Wasser wird jedoch in Wasserstoff in Hydroxid-Ionen gespalten, die vom H2O abgegebenen Protonen H+ werden durch die Elektronen zu H reduziert:

H₂O → H⁺ + OH^-

H⁺ + e^- → H

Der so gebildete Wasserstoff wird dann von der Metall-Legierung gebunden. Es entsteht kein salzartiges Metallhydrid mit Hydrid-Ionen H^-, sondern der Wasserstoff wird als elementarer Wasserstoff H in das Metall eingelagert.

Entladevorgang

Negative Elektrode

Um Elektronen zu erzeugen, läuft die beim Laden stattfindende Reaktion umgekehrt ab:

MH + OH^- → M + H₂O + e^-

Das Metallhydrid gibt also seinen eingelagerten Wasserstoff wieder ab, die H-Atome werden oxidiert, und die dabei entstehenden Protonen reagieren mit den Hydroxid-Ionen zu Wasser:

MH → M + H

H → H⁺ + e^-

H⁺ + OH^- → H₂O

Positive Elektrode

Auch an der positiven Elektrode findet nun genau der umgekehrte Vorgang statt wie beim Aufladen:

NiO(OH) + H₂O + e^-→ Ni(OH)₂ + OH^-

Die Ni³⁺-Ionen werden zu Ni²⁺ reduziert, und das von der negativen Elektrode gebildete Wasser wird wieder gespalten, das Proton reagiert mit dem O^2--Ion zu einem OH^--Ion, und übrig bleibt ein zweites OH^--Ion:

Ni³⁺ + e^- → Ni²⁺

H₂O → H⁺ + OH^-

O^2- + H⁺ → OH^-

Weiterführende Webseiten