'Memory': Mythos oder Tatsache?

Das Wort 'Memory' wurde ursprünglich abgeleitet von 'cyclic memory / Zyklusgedächtnis', was sagen wollte, dass Nickel-Kadmium-Batterien sich 'erinnern' konnten, wie viel Energie bei den letzten Entladungen entnommen wurde. Bei einer länger dauernden Entladung, als eigentlich vorgesehen war, sank die Batteriespannung schnell ab und die Batterie verlor an Leistung. Inzwischen haben massgebliche Verbesserungen in der Batterietechnologie dieses Phänomen praktisch eliminiert.

Das Problem bei Nickel-Kadmium-Batterien ist nicht so sehr das 'Zyklusgedächtnis', als vielmehr der Effekt einer kristallinen Formation. Das aktive Kadmiummaterial ist in kleinsten einzelnen Kristallen vorhanden. In einer guten Zelle bleiben diese Kristalle klein und sorgen damit für die grösstmögliche Oberfläche. Mit Memory wachsen die Kristalle und tendieren dahin, das aktive Material vom Elektrolyt zu trennen. In einem fortgeschrittenen Stadium dringen die scharfen Kanten der Kristalle in den Separator ein, was zu hoher Selbstentladung und elektrischen Kurzschlüssen führt.

Als um 1990 die Nickel-Metall-Hydride eingeführt wurden, wurden sie als 'Memory-frei' angepriesen. Heute wissen wir jedoch, dass auch diese Chemie dem Memoryeffekt unterworfen ist, wenn auch weniger stark, als bei Nickel-Kadmium. Die Nickelplatte, die in beiden Arten verwendet wird, ist teilweise daran schuldig. Während bei Nickel-Metall-Hydrid nur die Nickelplatte an diesen Effekt beiträgt, betrifft dies bei Nickel-Kadmium zusätzlich noch die Kadmiumplatte. Dies ist eine nicht-wissenschaftliche Erklärung, warum Nickel-Kadmium mehr betroffen ist, als Nickel-Metall-Hydrid.

Die Phasen der kristallinen Formation einer Nickel-Kadmium-Zelle sind in Figur 1 dargestellt. Die Vergrösserungen zeigen eine Kadmiumplatte in einer sauberen, funktionierenden Kristallstruktur, eine kristalline Formation nach Gebrauch (oder Missbrauch) und nach Regeneration.

	Neue Nickel-Kadmium Zelle. Die Anode ist in einem frischen Zustand. Hexagonale Kadmiumhydroxidkristalle sind ca. 1 Mikron im Querschnitt, und bieten dem Elektrolyt eine grosse Oberfläche an, was maximale Leistung ergibt.
	Zelle mit einer kristallinen Formation. Die Kristalle sind auf einen Querschnitt 50 bis 100 Mikron gewachsen, und verdecken dadurch grosse Teile des aktiven Materials gegen den Elektrolyt. Zackige Kanten und scharfe Ecken können des Separator verletzen, was zu grösserer Selbstentladung und elektrischen Kurzschlüssen führen kann.
	Regenerierte Zelle. Nach Impulsladung wurden die Kristalle auf 3 bis 5 Mikron reduziert, eine beinahe 100%-ige Regeneration. Wartung und Regeneration sind nötig, wenn die Impulsladung alleine nicht effizient genug ist.

Wartung und Regenerierung - Untersuchungen haben gezeigt, dass die Kristallbildung sich verstärkt, wenn während 3 Monaten oder mehr keine Wartung an Nickel-Kadmium-Batterien durchgeführt worden ist. Eine totale Restauration mit Hilfe einer Wartung wird immer schwieriger, je länger die Wartung ausgesetzt wurde. Mit speziellen Fällen ist eine Regeneration nötig.

Die Regeneration ist eine langsame Entladung, unterhalb der 1.0V/Zelle-Schwelle. Während dieses Prozesses muss der Strom klein gehalten werden, um eine Umpolung der Zellen zu verhindern. Nickel-Kadmium können eine kleine Umpolung tolerieren, aber Vorsicht ist am Platz, um die Umpolung klein zu halten.

Tests, die von der US Armee durchgeführt wurden, zeigten, dass Nickel-Kadmium-Zellen eine Entladung bis mindestens 0.6V/Zelle benötigen, um die wirklich resistenten Kristallformationen verkleinern zu können. Figur 2 zeigt die Batteriespannung während der Entladung auf 1.0V/Zelle, gefolgt von einer zweiten Entladephase bis auf 0.4V/Zelle.

Figur 2: Wartung und Regeneration von einem Cadex-Batterie-Analyser. Wenn eine Nickel-Kadmium-Batterie nicht gewartet wurde, während 3 Monaten oder länger, wird eine Regeneration nötig, um die Kapazität wieder her zu stellen. Regeneration ist langsame, tiefe Entladung bis 0.4V/Zelle. Wenn die Wartung während 6 bis 12 Monaten ausgesetzt war, ist die Regeneration in der Regel erfolglos.

Figur 3 zeigt die Auswirkungen von Wartung und Regeneration. Vier Nickel-Kadmium-Batterien, die verschieden stark vom Memoryeffekt betroffen waren, wurden gewartet. Die Batterien werden zuerst voll aufgeladen, dann auf 1.0V/Zelle entladen. Die resultierenden Kapazitäten wurden in einem Massstab von 0 bis 120% in der ersten Kolonne dargestellt. Zusätzliche Entlade/Ladezyklen wurden durchgeführt und die Batteriekapazitäten in den entsprechenden Kolonnen dargestellt. Die durchgezogene Linie entspricht der 'Wartung' und die gestrichelte Linie entspricht der Regeneration. Die Wartungs- und Regenerations-zyklen wurden manuell nach dem Ermessen des Labortechnikers durchgeführt.

Figur 3: Einfluss von Wartung und Regeneration. 4 Batterien, vom Memoryeffekt befallen, werden gewartet. Batterie 'A' erhöhte die Kapazität mit der Wartung allein; die Batterien 'B' und 'C' hatten eine Regeneration nötig. Die neue Batterie wurde mit Regeneration noch besser.

Die Batterie 'A' reagierte gut auf die Wartung allein, und eine Regeneration wurde nicht nötig. Die Batterie ist wahrscheinlich erst seit einigen wenigen Monaten im Einsatz, oder hat periodisch Wartungszyklen durchlaufen. Die Batterien 'B' und 'C' benötigten eine Regeneration, um ihre Leistung wieder herzustellen. Ohne Regeneration hätten diese 2 Batterien entsorgt werden müssen.

Nach der Wartung wurden die restaurierten Batterien wieder in Betrieb genommen. Bei einer Untersuchung nach sechs monatiger Einsatzzeit wurden keine nennenswerten Verschlechterungen der Leistung festgestellt. Die gewonnene Kapazität war permanent, aber eine periodische Wartung ist nötig, um die Leistung beizubehalten.

Die Durchführung eines Regenerationszyklus an einer neuen Batterie bringt eine leicht grössere Kapazität. Diese Verbesserung ist nicht ganz verständlich, ausser man geht davon aus, dass die zusätzliche Formatierung die Batterie verbessert. Eine andere Erklärung wäre ein frühzeitiger Memoryeffekt. Weil neue Batterien mit einer gewissen Ladung versehen eingelagert werden, kann im Laufe der Selbstentladung eine Kristallformation entstehen. Eine Wartung und Regeneration korrigieren diesen Effekt

Die Regeneration hat jedoch ihre Grenzen. Wenn währen 6 bis 12 Monaten keine Wartung durchgeführt worden ist, kann ein permanenter Schaden entstehen. Die Nennkapazität kann nicht mehr erreicht werden, oder die Batterie leidet an einer hohen Selbstentladung durch einen defekten Separator. Diese Batterie kann mit einem alten Menschen verglichen werden, für den eine anstrengende Arbeit schwer fällt. Solche Batterien müssen ersetzt werden.

Erfahrungsgemäss können 50-70% der entsorgten Batterien wiederhergestellt werden, wenn sie mit den Methoden des Cadex-Analysers oder eines äquivalenten Gerätes gewartet und regeneriert werden. Die Wiederherstellungsrate von Nickel-Metall-Hydrid-Batterien ist etwa 40%. Diese geringe Ausbeute erklärt sich teilweise durch die kleinere Anzahl der zu erwartenden Ladezyklen.

Praktische Resultate von Wartung und Regeneration

Nach dem Balkankrieg untersuchte die holländische Armee wie viele der eingesetzten Batterien mit Hilfe des Cadex-Analysers wieder instand gestellt werden konnten. Die Armee war sich bewusst, dass der Einsatz der Batterien alles andere als ideal war. Sie waren vorwiegend in den Ladegeräten bei einer Einsatzzeit von nur 2 bis 3 Stunden pro Tag

Bei einigen Batterien war die Kapazität von 100% auf 30% gesunken. Mit der Regenerationsfunktion des Analysers konnten 9 von 10 Batterien auf 80% und mehr wiederhergestellt werden. Die Nickel-Kadmium-Batterien waren 2 bis 3 Jahre alt.

Die Wichtigkeit einer Wartung und Regeneration geht auch aus einer anderen Untersuchung hervor, die von GTE Government System für die US Navy durchgeführt wurde. Um den Prozentsatz festzustellen, wie viele Batterien im ersten Jahr ihres Einsatzes zu ersetzen waren, wurde eine Gruppe von Batterien nur aufgeladen, ohne Unterhaltsmassnahmen. Eine andere Gruppe wurde regelmässig gewartet und eine dritte Gruppe wurde regeneriert. Die untersuchten Batterien wurden in Funkgeräten der US Luftwaffe verwendet.

Mit der 'Nur Aufladung' (laden und gebrauchen) war der jährliche Prozentsatz der ausgefallenen Batterien 45% (Figur 4). Mit der Wartung konnte die Ausfallrate auf 15% gesenkt werden. Die bei weitem besten Resultate wurden mit Regeneration erreicht. Die Ausfallrate sank auf 15%

Die Schlussfolgerung des GTE-Rapportes war, dass ein Batterie-Analyser, mit Wartungs- und Regenerationsfunktionen, der 2'500.00 US$ kostet, in weniger als 1 Monat amortisiert ist, allein mit den Batterieeinsparungen.

Einfache Richtlinien

• Lassen Sie Batterien auf Nickelbasis nie länger als einige Tage im Ladegerät, auch nicht mit Schwebeladung.
  
• Warten Sie Nickel-Kadmium-Batterien alle 1 bis 2 Monate und Nickel-Metall-Hydrid alle 3 Monate. Eine Totalentladung im Gerät tut es auch.
  
• Entladen Sie die Batterie nicht vor jeder Aufladung; dies stresst die Batterie unnötigerweise
  
• Vermeiden Sie eine zu starke Erhitzung der Batterie während des Ladevorganges. Die Batterietemperatur sollte sich nur kurz bei Erreichen der Vollladung erhöhen, dann auskühlen lassen.