Ein kleiner Überblick der gängigen Akkutypen:
Als erstes Glied des Antriebsstranges steht als Quelle der Energie der Akku. Mann sollte meinen, dass es wohl kein Problem sein wird einen passenden Akku zu finden, da es ja Zellen um die 50 bis 300mAh wie Sand am Meer gibt.
Viele Neulinge meinen mit einem 9V-Block-Nimh Akku den Fang überhaupt gemacht zu haben, da: Geringes Gewicht, genau passende Spannung, hohe Kapazität und sogar fertig konfektioniert!
Jedoch schon beim Erstflug kommt die böse Überraschung – der Akku schafft es kaum den Flieger in der Luft zu halten und ist nach weinigen Minuten kaputt.
Erst jetzt wird vielen klar – diese Zellen können den benötigten Strom nicht liefern.
Ein Slowflyer der „Next-Generation“ - Klasse zieht durchschnittlich 1,5 A, der „Witsch-Watsch“ etwa 2 A, die Pitts 3 bis ... alles was zu kriegen ist.Es hört sich vielleicht komisch an bei 1,5 A von Hochstromzellen zu sprechen, aber für die beim „Next-Generation“ verwendeten 110mAh Zellen ist 1,5A immerhin:
13,6 x C (C = Akkukapazität)So betrachtet sieht die Sache schon anders aus. Wir brauchen also Mini-Hochstromzellen.
Zum besseren Verständnis möchte ich daher kurz auf die verschiedenen Akkuarten eingehen die wir käuflich erwerben könne:
Der Bleiakkumulator
Die Vorteile des Bleiakkumulators:
Relativ hohe Spannung pro Zelle
Vergleichsweise geringer Preis
Augrund des geringen Innenwiderstandes relativ hohe Belastbarkeit
Günstiges Energieverhältnis zwischen Entladung und Aufladung
Fast vollständig wiederverwertbar
Bedürfen wenig Pflege
Nachteile des Bleiakkumulators:Hohes Gewicht !
Spezifische Energie von 25 - 35 Wh/Kg ist gering
Empfindlich gegenüber hohen Temperaturen
Alterung des PbSO4- Elektrodenüberzugs bei längerer Lagerung im ungeladenen Zustand
Relativ lange Ladezeit
Zustand der totalen Entladung wirkt sich schlecht auf den Akku aus
Der 1859 von Panté entwickelte Bleiakkumulator setzte sich damals schon sehr schnell durch.
Der Bleiakkumulator ist der einzige Akku, bei dem beide Elektroden aus dem selben Material bestehen.
Noch heute dominiert der Bleiakku das Feld der Starter- ,Traktions- und Notstrombatterien.
Die Weltproduktion von Starterbatterien allein liegt zwischen 50 und 100 Mio.
Es stecken heute schon ca. 70% des auf der ganzen Welt vorhandenen Bleis in Akkumulatoren.
Aufbau und Funktionsweise des Bleiakkus
Die heutigen Bleiakkus bestehen aus einzelnen Zellen, wobei jede Zelle für sich eine Galvanische Zelle mit einem Elektrodenpotential von 2V darstellt, meist sind dann 3 oder 6 solche Zellen hintereinander geschaltet, um eine Spannung von 6 bzw. 12V zu erreichen.
Eine solche Halbzelle besteht aus einer Elektrode aus metallischem Blei und einer Elektrode, die mit Blei(IV)-oxid beschichtet ist.
Als Elektrolyt dient 20-40% H2SO4, da bei dieser Konzentration die H2SO4 ihre optimale Leitfähigkeit erreicht hat.
Um die Elektrodenoberfläche möglichst Groß zu halten, sind die an den Elektroden wirksamen Stoffe feinkörnig und porös.
Beim Entladevorgang funktioniert der Bleiakku als galvanische Zelle. Beim Anlegen eines Verbrauchers, lösen sich Pb2+-Ionen aus beiden Elektroden und gehen in die Lösung über.
Die hierbei entstandenen Pb2+-Ionen reagieren mit den Säurerestionen der H2SO4 zu schwerlöslichem PbSO4, dass sich an den Elektroden absetzt.
Das Entladen ist insgesamt ein freiwillig verlaufender Redoxprozeß. Beim Entladen entsteht also an beiden Elektroden Bleisulfat, Schwefelsäure wird verbraucht und es entsteht Wasser.
Es sinkt die Dichte der Säure bei diesem Prozess von 1,26 g/cm3 auf 1,18 g/cm3, man ist demnach in der Lage, den Ladezustand des Akkus mit Hilfe der Säuredichte zu bestimmen.
Wenn man bei einer Dichte von 1,15 g/cm3 nicht nachlädt, wird der Akku irreversibel beschädigt.
Der Akku ist erschöpft, wenn das gesamte Bleioxid reduziert wurde.
Der Ladevorgang ist ein erzwungener Vorgang, bei dem man eine Spannung an die Elektroden anlegt und so die Stromrichtung umkehrt wird. Man könnte erwarten, dass der Bleiakku als Elektrolytzelle funktioniert, da schwefelsaure Lösung unter Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrolysiert werden würde.
Auf Grund von Überspannungen wird dies so stark behindert, sodass bevorzugt Pb2+ -Ionen an den Elektroden reagieren.
Das macht das Aufladen überhaupt erst möglich.Grundsätzlich ist der Vielfach belächelte Bleiakku eigentlich nicht schlecht.
Leider für unsere Zwecke weniger gut geeignet, da die Energiedichte einfach zu gering ist. D.h. der Akku ist zu schwer!
Hinzu kommt, das die Zellen nicht schnelladefähig sind und somit vor Ort nicht nachgeladen werden könne.Abgesehen von diesen Nachteilen sind mir Bleiakkus in passender Größe nicht bekannt.
Der Nickel/Cadmiumakkumulator
Vorteile des Ni-Ca-Akkumulators:
Hohe spezifische Energie (50 Wh/Kg)
An Robustheit kaum zu übertreffen
Wesentlich längere Lebensdauer als Bleiakkus
1000 - 2000 Lade- und Entladezyklen
vollständige Entladung schadet ihm nicht
fast beliebig lange Lagerung im entladenen Zustand, ohne dass er Schaden nimmt
bleibt bei -30 bis -40°C noch funktionsfähig (jedoch mit Einbußen)
Nachteile des Ni-Ca-Akkumulators:etwas höherer PreisPraktisch verwendbare NiCd-Systeme gibt es erst seit der Jahrhundertwende.
schnelle Selbstentladung
besteht zu 20% aus hochgiftigem Cadmium
Memory- und Lazy-Battery-Effekt
Nachdem sich Thomas A. Edison in seinen Forschungen auf Nickel / Eisen- Systeme konzentrierte, schuf Waldemar Jungner 1899 den ersten später in Serie gefertigten NiCd-Akku.
Gasdichte NiCd- Zellen konnten erst nach 1933 hergestellt werden, nachdem A.Sassler mit seinen Forschungen die Grundlage dafür gelegt hat. Seinerzeit war auch schon das Prinzip der Sinterelektroden bekannt.
Der nächste Technologiesprung Mitte der 80'iger Jahre brachte dann die Metallschaumelektrode und einige weitere Verbesserungen. Damit war es gelungen, in den Abmessungen einer Mignonzelle eine Kapazität von über 1 Ah unterzubringen.
Wohl einer der Hauptvorteile von NiCd- Systemen sind vor allem lange Lagerfähigkeit im entladenen Zustand, sowie die Tiefentladefähigkeit.Natürlich ist auch die größere mechanische Stabilität und das gute Verhältnis von Masse (Gewicht) zu Kapazität zu erwähnen. Cadmium besitzt das Formelzeichen Cd und gehört wie Blei zu den Schwermetallen.
Daher sind alle Cd-Verbindungen sehr giftig. Nickel besitzt das Formelzeichen Ni und gehört ebenfalls zu den Schwermetallen.
Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle
In einer NiCd-Zelle besteht die positive Elektrode aus Nickelhydroxid (NiO2H), in der Regel mit einem Graphitzusatz um dieLeitfaehigkeit zu verbessern. Bei gasdichten NC-Zellen ist es heute allgemein üblich, einen Anteil sogenannter antipolarer Masse als Umpolschutz, meist Cadmiumhydroxid ( Cd (OH)2) hinzuzufügen.
Die positive Nickel-Elektrode lässt sich nämlich viel schlechter Laden als die negative Cadmium-Elektrode. Der Zusatz von Cadmiumhydroxid bildet eine Ladereserve, welcher die Wasserzersetzung und somit die Bindung von Wasserstoffgas verhindert.
Die Chemische Umwandlung des Wasserstoffs durch Oxidation an der positiven Elektrode verläuft so langsam, das er für Rekombinationszwecke in der Zelle nicht brauchbar ist.
Dieser Wasserstoff- Überschuss, der zu einem Druckanstieg in der Zelle führen würde, nimmt die Ladereserve auf und sorgt gleichzeitig für einen gewissen Umpolschutz. Die negative Elektrode besteht aus pulverisierten Cadmiumverbindungen.
Auch hier befinden sich zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit eingelagerte Graphitpartikel, auch hier gibt es analog zu positiven Elektrode eine Entlade - und Ladereserve, welche dadurch realisiert wird, dass mehr Elektrodenmasse als eigentlich erforderlich verwendet wird.
Bei Überladung wird dann der gesamte Ladestrom zur Sauerstoffreduktion an der negativen Elektrode verwendet ohne dass es zu einem unzulässigen Druckanstieg kommt.
Trotz all dieser Maßnahmen hat natürlich die Umpolfestigkeit auch ihre Grenzen.
In Grosserienfertigung werden die Elektrodenmaterialien in die gewünschte Form gepresst und dann zur mechanischen Stabilisierung mit einem feinmaschigen Nickeldraht umgeben.
Dieses leitfähiges Nickelnetz dient auch zur gleichmäßigen Ladungsverteilung.
NiCd - Sinter- Zellen
Etwas aufwändiger und teurer sind Nick-Akkus mit Sinterfolien-Elektroden.
Hierbei dient ein vernickeltes Stahlgewebe als Träger, auf welches das Elektrodenmaterial,
also NiOOH = positive Elektrode u. Cd = negative Elektrode, staubförmig aufgebracht wird.
Unter sehr hohen Temperaturen und Drücken sintern dann diese Stoffe zusammen und ergeben eine raue Oberfläche. Durch die nun sehr große aktive Oberfläche, ergeben sich folgende Eigenschaften:
sehr geringer Innenwiderstand, hohe Entladeströme und eine gute Überladefestigkeit, da ja durch die große Oberfläche die Gase
(O und H) bei Überladung sich besser an den Elektroden binden können.
Des weiteren besitzen solche Akkus bis zu 20 % mehr Kapazität.
NiCd- und NiCdSinter- Zellen sind somit sehr gut für unsere Zwecke geeignet. Sie sind weit verbreitet und in vielen Größen zu haben. Nicht grundlos sind die im Flugmodellbau üblichen Hochstromzellen NC-Zellen.
Ursprünglich sind fast alle dieser Zellen für akkubetriebene Kleinwerkzeuge entwickelt und passen daher in der Auslegung sehr gut für unsere „großen“ Flugmodelle.
Leider ist fast kein Industrieller Bedarf für Hochstromzellen in der Größenordnung um 100 bis 300mAh vorhanden.
Zellen in dieses Formats sind in der Regel auf hohe Kapazität und nicht auf hohe Ströme gezüchtet.
Hier muß also nach passendem Material gesucht werden.
Dazu später mehr.
Der Nickel-Metallhybridakku
Vorteile des NiMH-Akkus:
Cadmiumfrei (umweltschonend!)
Höhere Energie von 50-70 Wh/Kg
Weist ähnliche Spannung wie NC-Zellen auf
Hohe Lebensdauer (bis 2000 Zyklen)
Ladewirkungsgrad bis zu 92%, dazu noch eine rel. kurze Ladezeit
Geringe Wartung benötigt
Nachteile des Ni/MH-Akkus:Hoher Preis
Hochstromentladung max. 3C
Schnelle Selbstentladung
Starke Ausdehnung der Kristallgitter beim Ladevorgang daraus folgt eine Verringerung der Lebensdauer
Irreversible Oxidation der H2-Speicherlegierungen
Memory Effekt
Die Nickel-Metallhydrid-Batterie entstand bei der Suche nach einer Zelle mit vergrößerter Kapazität und verbesserter Umweltverträglichkeit. Die Negative, strukturell recht einfache Cadmium-Elektrode wurde hier durch eine Metalllegierung mit komplexer Struktur ersetzt, die Fähig ist, Wasserstoff zu absorbieren.
Das Legierung-Wasserstoff-System weist eine hohe Energiedichte auf, was erlaubt die Masse der negativen Elektrode zu verringern und das gewonnene Volumen mit positiver Masse aufzufüllen.
Dadurch erhöht sich die Energiedichte im Vergleich zu NiCD-Zelle.
Aufbau und Funktionsweise einer Ni-MH Zelle
Die Anode (-) besteht hier nicht aus Cadmium, sondern aus einer wasserstoffspeichernden Nickellegierung. Die Kathode besteht wie schon beim Ni/Cd-Akku aus Nickel.
Auch das Elektrolyt ist das selbe, und zwar Kaliumhydroxid-lösung.
Beim Entladen laufen allgemein folgende Reaktionen ab:
MH + NiOOH -> M + Ni(OH)2
Es entsteht eine Leerlaufspannung von 1,25 bis 1,35 V. Sie ist vom Ladezustand, der Lagerungszeit und der Temperatur abhängig. Umittelbar nach der Ladung kann auch mal 1,45V gemessen werden.
Die Nennspannung beträgt dennoch 1,2 V (ein Mittelwert der Spannungen im Arbeitszyklus).
Die Entladeschlussspannung beträgt 1V, bei höheren Entladeströmen kann sie auch auf 0,9V fallen.
Der Maximale Entladestrom beträgt nur 3C.Die NiMH-Zellen sind nur eingeschränkt für unsere Zwecke brauchbar, da der maximale Entladestrom mit 3C vergleichsweise gering ist.
Brauchbar sind die Zellen jedoch für den „Next Generation“, der im Schwebeflug weit weniger als 1A verbraucht. Bei den Indoor- und Parkflyeren wird der Spitzenstrom zu hoch sein und die Zellen beschädigen.
Wiederaufladbare Lithium-Systeme
Das Element Lithium wurde 1817 in einigen Mineralien entdeckt, und aufgrund seines Vorkommens ausschließlich in Gesteinen
(griech. lithos =Stein) wurde es entsprechend benannt.
Als Metall ist es zuerst im Jahre 1855 durch Schmelzfußelektrolyse des Lithiumchlorids hergestellt worden.
Aufgrund seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften ist Lithium für die Batterieindustrie sehr attraktiv:
Es besitzt das höchste elektrochemische Äquivalent aller Metalle und das höchste negative Standardpotential. Die große Reaktivität erschwert jedoch erheblich die industrielle Anwendung; es reagiert sehr heftig mit Wasser, wobei sich Lithiumhydroxid (LiOH) bildet.
Der dabei freigesetzte Wasserstoff kann sich durch die Reaktionswärme entzünden (u.U. auch explosiv), so dass die Verarbeitung in sog. Trockenräumen erfolgen muss.
Aus den gleichen Gründen ist die einfache Zellenkomposition mit wässrigen Elektrolyten unmöglich.
Es gibt bereits mehrere verschiedene Zellentypen, die jedoch keine eindeutigen Vorteile gegenüber den klassischen NiCd-Systemen in allen Anwendungsbereichen haben: entweder ist die Lebensdauer zu kurz, oder die Arbeitsbedingungen sind zu exotisch.
(z.B. muss in manchen Lösungen die Temperatur höher als 120 °C sein), oder die Ströme sind so gering, dass die Batterie z.B. nur in Herzschrittmachern einsetzbar ist.
In Laboratorien gibt es bereits vielfältige Lösungen, und die Entwicklung geht weiter - die Fachpresse berichtet monatlich über
neue Systeme!
Grundsätzlich gibt es fünf verschiedene Kategorien der Lithiumzelle:
Zellen mit flüssigem, organischen Elektrolyten:
Festkörperkathode aus Einlagerungsverbindungen, Anode aus metallischem Lithium und flüssigem, organischen Elektrolyten.Merkmale:
Hohe spezifische Energiedichte
Mittlere Entladungsströme
Mögliche Sicherheitsprobleme (metallisches Lithium)
Niedrige Lebensdauer
Niedrige Selbstentladung
Beispiele: Li/MoS2, Li/MnO2, Li/TiS2, Li/NbSe3, Li/V2O5, Li/LiCoO2, Li/LiNiO2.
Zellen mit festem Elektrolyten:
Festkörperkathode aus Einlagerungsverbindungen, Anode aus metallischem Lithium und Elektrolyt aus festem Polymer.Merkmale:
Hohe spezifische Energiedichte
Niedrige Leitfähigkeit des Elektrolyten (kleine Entladungsströme)
Sicherere Konstruktion als bei flüssigem Elektrolyt
Sehr schlechte Eigenschaften bei niedrigeren Temperaturen
Niedrige Selbstentladung
Beispiel: Li/PEO-LiClO4/V6O13
Lithium-Ionen-Zellen:
beide Elektroden aus Einlagerungsverbindungen und flüssigem oder festem Polymer-Elektrolyten.Merkmale:
Sicherer AufbauZellen mit anorganischem Elektrolyten:
Hohe Lebensdauer
Relativ große Selbstentladung
Mittlere Entladungsströme
Beispiele: LixC/LiCoO2, LixC/LiNiO2, LixC/LiMnO4
flüssige Kathode, die gleichzeitig als Lösungsmittel des Elektrolyten dient.Merkmale:
Hohe spezifische EnergiedichteLithium-Legierungs-Zellen:
Hohe Entladungsströme
Sehr gute Lagerungsfähigkeit
Widerstandsfähigkeit gegen Überladung
Sicherheitsprobleme (sehr giftig)
Kapazitätsverlust im Laufe des Lebens
Beispiele: Li/SO2, Li/CuCl2
Anode aus Lithium-Legierung, flüssiger organischer Elektrolyt, verschiedene Kathoden.Merkmale:
KnopfzellenkonstruktionDie einzige Zelle aus der Lithium-Familie die für uns in frage kommen könnte ist die Lithium-Ionen Zelle.
Mehr Sicherheit durch Lithium-Legierung
Niedrige Energiedichte
Kurze Lebensdauer (außer für geringere Entladungstiefe)
Beispiele: LiAl/MnO2, LiAl/V2O5, LiAl/C, LiC/V2O5, LiAl/Polymer
Sie besitzt eine extrem hohe Kapazität und eine hohe Zellspannung von 3,7V. Widriger weise beträgt die Maximale Belastbarkeit nur 2C. Da die Kapazität der Zellen entsprechender Größe jedoch über 1000mAh beträgt, reichen hier 2C für den „Next Generation“ aus.Leider ist der Anschaffungspreis extrem hoch.
System Blei-Säure NiCd NiMH Li-Ion Anode Pb Cd MH LixC6 Kathode PbO2 NiOOH NiOOH LiCoO2(LiMn2O4) Nominale Zellspannung [V] 2,0 1,2 1,2 3,7 (3,5) Arbeitsbereich 2,0-1,6 1,25-1,0 1,25-1,0 4,1-2,7 Grenzwert Entladeschlussspannung [V] 1,6 0,8 0,9 2,5 Max. Entladestrom [C] 10 20 2-3 2 Energiedichte-gravim. Wh/kg 30-40 40-60 50 100 (125) Slebstentladung bei 20° in %NK/Monat 8 15 25 10 Verwendbarkeit Jahre 4-8 4-15 KA KA Zyklenfestigkeit bei 100% Entladung 200-300 300-700 300-600 500 (1000)
Zurück zur StartseiteWelches Akkusystem kommen jetzt für uns in Frage?
Wie anfangs bereits erwähnt brauchen wir uns über Blei- bzw. Bleigelzellen aufgrund der geringen Energiedichte nicht zu unterhalten.
In frage kommen ehr die sehr verbreiteten NC- und NiMh-Zellen. Li-Ion Zellen sind für den Alltagsgebrauch schlichtweg zu teuer, können aber sicherlich in Zukunft eine interessante Alternative darstellen.
Erste Experimente mit der Ionentechnik wurden dennoch mit dem „Next-Generation“ sehr erfolgreich durchgeführt.
Sicherlich interessant für Rekordversuche, aber für den Alltagsbetrieb unsinnig. Wer schon mal über eine Stunde in der Halle geflogen ist, weiß was ich meine – Danach ist man FERTIG. Nach den theoretisch möglichen vielen Stunden Flugzeit geht man nur noch nach Hause und legt sich in das Bett.
Folglich wird die vorhandenen Kapazität der Zellen fast nie am Stück verbraucht, da man als Pilot wirklich mal eine Pause braucht.
Die logische Schlussfolgerung währe jetzt zu sage, dass die Zellen zu groß sind und um Gewicht einzusparen ein kleinerer Typ gewählt werden kann. Theoretisch ist das richtig, praktisch kann der kleinere Zellentyp aber auch nur die 2C ab.
Da seine Kapazität sinkt, reduziert sich auch die Strombelastbarkeit. Wie müssen also relativ hochkapazitive und große Zellen der Ionentechnik wählen, um die Akkus nicht zu überfordern und somit zu zerstören.
Dies ist auch der Grund warum ich keine Ionenzellen verwende. Zweifellos reicht eine Flugzeit von 5 bis 10 Minuten bei langsam fliegenden Modellen aus. Bei Kunstflugmodellen sollten wir eine Motorlaufzeit von 3 bis 4 Minuten anstreben, zumal ein kontrollierter Indoorkunstflug nach einer enormen Konzentration verlangt.
Folglich landen wir bei den NiMh- und NC-Zellen.
Überall dort wo hohe Ströme gebraucht werden sind die glücklicherweise preiswerten NC-Zellen prädestiniert.
Aufgrund ihres geringen Innenwiederstandes können sie kurzeitig mehr als 20C liefern. Wir können also sehr kleine und leichte NC-Zellen in unseren Modellen verwenden. Wo keine extremen Ströme verlangt werden ist der kapazitiv überlegene NiMh-Akku bestens geeignet. Aber auch die NiMh-Zellen können nur 2 bis max 3C ab. Daher müssen wir auch hier Zellen hoher Kapazität einsetzen um eine zu hohe Überlastung zu vermeiden.Schlussendlich wird der leichteste Akku aufgrund seiner hohen belastbarkeit der NC-typ sein,
der „Dauerläufer“ vorerst der NiMh-Akku.