Leon van der Horst - Accu's

Accu's

Accu's zijn er in vele soorten en maten.

Hieronder een uitleg van verschillende types.
 

Index:

LiPo accu's

Lood accu's

NiCd batterijen

NiMh batterijen

 

LiPo accu's:
Bron: http://www.modelbouwforum.nl/forums/faq-accus-en-laadtechnieken/20297-informatie-en-aandachtspunten-lipo-cellen.html

Lithium Polymeer accu's
Lipo staat voor Lithium Polymeer en het grote voordeel t.o.v. NiCad en NiMH is het lagere gewicht en de grotere capaciteit van de cellen. Doormiddel van het serieel en/of parallel schakelen is het mogelijk een accupack te maken welke geschikt is voor diverse toepassingen in de modelbouw.
(Opm.: door het in serie schakelen van twee (of meer) accu's is het mogelijk het voltage van je pack te verhogen, terwijl parallel schakelen inhoudt dat je de capaciteit van je pack verhoogd).
Een enkele lipo cel heeft een nominale spanning van 3.7 V. De capaciteit van de cel is afhankelijk van welk type en merk lipo het betreft, maar dit varieert grofweg tussen de 300 mAh en 8000 (!) mAh.
Een lipo pack wordt aangeduidt door het aantal serieel en/of parallel geschakelde cellen te vermelden. Zo is de benaming voor een pack wat bestaat uit 3 serieel geschakelde, en 2 parallel geschakelde cellen een 3s2p-pack. Ervanuitgaande dat dit cellen betreft met een capaciteit van 2200mAh betekent het dat we hier een pack van 11.1V (3 x 3.7) hebben, met een capaciteit van 4400mAh (2 x 2200mAh). (Let op dat het aantal cellen dat nodig is om een 3s2p accu te maken (3x2)= 6 is!)

Laden en ontladen van lipo cellen
Lipo-cellen zijn vergeleken met NiCad en NiMH cellen veel kritischer bij het laden en ontladen. Er zijn twee dingen waar je absoluut rekening mee moet houden bij het laden en ontladen en dat is de maximale ontlaadspanning en maximale laadspanning. Een lipo-cel heeft, wanneer deze helemaal vol is, een spanning van 4.2 Volt en het is belangrijk ervoor te zorgen dat de spanning nooit hoger wordt dan deze 4.2 V !
Aan de andere kant is het noodzakelijk ervoor te zorgen dat de spanning van een cel onbelast nooit lager wordt dan 3.0V. Belast moet je ervoor zorgen dat de spanning van een enkele cel nooit onder de 2.5V komt. Gebeurt dit wel dan is de kans groot dat de cellen beschadigd raken, of zelfs spontaan in brand vliegen!
Qua apparatuur moeten lipo-cellen met speciale laders worden geladen, en het is dus niet mogelijk dit met een reguliere NiCad/NiMH lader te doen.
Qua maximale laad- en ontlaadstroom is het van belang de voorschriften van de fabrikant aan te houden. Dit wordt aangeduidt met de eenheid C, waarmee wordt bedoelt de stroom die een volledig geladen cel in één uur ontlaad, oftewel de capaciteit van de cel, maar dan uitgedrukt in mA.
Als je een lipo-cel parallel met een andere gelijke cel schakelt, betekent dat dat je de ontlaadstroom bij elkaar mag optellen. Een 2s2p pack, waarvan een afzonderlijke cel een maximale ontlaadstroom van bijv. 8C heeft, mag dus met maximaal 16C worden belast.
Tot slot is het belangrijk nooit je lipo accu's onbeheerd te laden, aangezien er altijd (ongeacht het altijd opvolgen van de voorschriften) de kans bestaat dat er met het laden iets fout gaat, en je pack vlam vat. Het zou jammer zijn als hierdoor je huis afbrand, of erger er slachtoffers vallen!
Om ook hier een indruk te geven van wat de consequenties kunnen zijn als dit advies niet wordt opgevolgd:
Danger - LiPos

Eerste keer laden van nieuwe cellen
Indien je van plan bent van afzonderlijke lipo-cellen één pack te maken, is het belangrijk dat je alvorens de cellen te solderen ze eerst 'op elkaar afstemt' door ze afzonderlijk te laden en pas dan samen te voegen tot één pack.
Dit hoef je vervolgens niet altijd te doen, maar het is wel raadzaam geregeld te controleren of alles nog op elkaar is afgestemt. Qua laadstroom kan je gewoon de voorschriften van de fabrikant aanhouden (vaak 1C).

Liposafe
De meeste nieuwe regelaars bieden vaak wel ondersteuning voor lipo-cellen maar indien dit niet het geval is, en om er toch tijdens het gebruik zeker van te zijn dat de spanning van de lipo-cellen niet onder de 3V per cel komt, is het aan te raden gebruik te maken van een Lipo-Safe. Deze worden bij verschillende winkels aangeboden, maar is met enige kennis ook prima zelf te maken.

Interessante informatie Lipo's:
Nederlands
Lipo soldeer cursus (Met dank aan Dick)
Het maken van een KOKAM Lithiumpolymeer ACCU (Met dank aan Andre)

Engels

Lithium Cells
The Kokam USA Lithium Polymer Battery System (PDF-bestand)

 

Loodaccu's:
Bron: Ernst Grundmann - http://www.modelbouwforum.nl/forums/faq-accus-en-laadtechnieken/70899-de-loodaccu-hoe-werkt-hij-en-hoe-ga-je-er-mee-om.html

Loodaccu’s bestaan al heel lang, al meer dan 100 jaar. Tot op de dag van vandaag is dit type accu één van de meest gebruikte accu’s ter wereld. Mits goed behandeld hebben ze een behoorlijke levensduur en een redelijk rendement. Maar wat is dan goed behandelen? Met dit stukje wil ik proberen te vertellen hoe je het beste de door ons modelbouwers gebruikte loodaccu’s kunt laden en bewaren. Eerst een paar definities en dan iets over de werking van de loodaccu.

Er wordt meestal gesproken over ACCU’S en af en toe wordt ook de term CEL gebruikt. Een cel is het basis element. Een accu is opgebouwd uit meerdere cellen. Eén cel van een loodaccu geeft een spanning af van 2Volt. Een cel van 12V kan dus niet, dit moet een accu zijn, samengesteld uit 6 cellen (6 cellen x 2V = 12V).

Op een accu kan bijvoorbeeld het volgende staan:
U = 12V
I = 25A
Imax = 120A (5sec.)
C = 7Ah (C/20) of (20h)

U is het symbool voor spanning, deze wordt weergegeven in V (Volt). Dit is dus een 12Volt accu.
I is het symbool voor stroom, weergegeven in A (Ampère). Deze accu kan 25A continu leveren.
Imax is de maximale stroom die deze accu gedurende korte tijd kan leveren. Soms staat er ook nog een tijd bij hoelang deze stroom uit de accu getrokken mag worden. In dit geval dus 5 seconden.
C staat voor de Capaciteit en wordt weergegeven in Ampère-uur afgekort als Ah. Die h is van hour, het Engelse woord voor uur. De toevoegingen C/20 of 20h betekenen hier dat de capaciteit wordt opgegeven bij een ontlading met een stroom van één twintigste van de capaciteit oftewel ontladen in 20 uur. In dit geval dus ontladen met 0,35A. Let op, ook als dit niet op de accu staat moet je er rekening mee houden dat de capaciteit vrijwel altijd opgegeven wordt bij een ontlading in 20 uur.

Hierboven ben ik er van uit gegaan dat alle informatie op de accu staat. Helaas is dat in de praktijk lang niet altijd zo. De spanning en de capaciteit staan er wel altijd op, naar de rest moet je vaak maar raden. Meestal staat er wel een typenummer op de accu. Met dit typenummer kan je de gegevens wel van de fabrikant krijgen als je erom vraagt. Op het internet is op de sites van de diverse fabrikanten ook veel te vinden.

Hoe werkt een loodaccu?
Een loodaccu bestaat uit twee platen die de + en de – polen vormen. De + pool is een loden plaat bedekt met een laag loodoxide. De - pool is een plaat zuiver lood. De platen hangen in een bak met, in gedestilleerd water, verdund zwavelzuur (63% water 37% zwavelzuur). Dit noemen we meestal het accuzuur maar de juiste naam is elektrolyt. Door een ingewikkelde chemische reactie ontstaat er een spanningsverschil tussen de platen en wanneer de + en de – platen via een gebruiker verbonden worden kan er een stroom lopen. Door die stroom wordt langzaam maar zeker het loodoxide omgezet in loodsulfide. Ook op de negatieve plaat ontstaat een laag loodsulfide. De concentratie van het zwavelzuur in het water wordt lager. Wanneer alle loodoxide op is kan er geen stroom meer lopen en is de cel ontladen.
Laat je de accu een poos ontladen staan dan zullen de miniscule loodsulfide kristallen samen gaan klonteren en steeds grotere kristallen vormen, dit heet sulfateren. Die grote loodsulfide kristallen zijn hard en niet oplosbaar daarbij zijn ze ook nog eens elektrisch isolerend. Door die grote loodsulfide kristallen worden de platen onbruikbaar en kan je de accu weggooien.

Tijdens het laden wordt door een elektrochemische reactie het loodsulfide aan de plusplaat weer in loodoxide en aan de minplaat in zuiver lood omgezet. Hierbij komt ook het zwaverzuur weer vrij. Wanneer de hele + plaat met een laag loodoxide bedekt is, is de accu volledig geladen. In een helemaal geladen cel zit geen loodsulfide meer. Er kunnen dus geen grote kristallen meer ontstaan zodat de accu niet meer kan sulfateren en kapot kan gaan. Het is dus heel belangrijk dat je een loodaccu NOOIT ongeladen weg zet.
De cel is dus helemaal opgeladen als er geen loodoxide meer op de + plaat bij kan. Naarmate de + plaat voller raakt met loodoxide zal de spanning iets omhoog gaan. Wanneer een spanning van 2,3V per cel is bereikt is het tijd om te stoppen met het laden.
Tijdens het laden gaat een heel klein deel van de energie verloren als warmte en doordat een klein beetje van het water gesplitst wordt in waterstof en zuurstof. Waterstof en zuurstof vormen samen het zeer explosieve knalgas. Daarom moet je loodaccu’s altijd laden in een goed geventileerde ruimte zodat het gas veilig weg kan!
Tijdens normaal laden verdwijnt er dus een klein deel van het water als gas daarom moet je af en toe het niveau van het elektrolyt controleren en indien nodig bijvullen. Omdat alleen water verloren gaat mag je alleen met gedestilleerd water bijvullen en niet met zuur!!!! Doe je dat wel dan wordt de concentratie van het zuur te hoog, dit kan de platen ook aantasten. Ook mag je niet met gewoon kraanwater bijvullen. In kraanwater zitten allerlei mineralen, vaak ook nog wat chloor, die de chemische processen in de accu kunnen verstoren waardoor de capaciteit minder wordt en de accu zelfs onbruikbaar kan worden.
Ga je door met laden als de accu vol is (laden tot meer dan 2,4V per cel) dan zal alle energie die nog in de cel gestopt wordt omgezet worden in warmte en in het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Omdat er nu veel meer energie beschikbaar is voor het splitsen ontstaat er veel gas. Als je met je oor tegen de accu luistert zal het lijken alsof de accu van binnen kookt. Als er veel gas ontstaat kan dat gevaarlijk zijn! Er ontstaat dan echt explosie gevaar, één klein vonkje en er kan een klap volgen. Als er veel water door gasvorming verdwijnt zal de concentratie van het zuur te hoog worden waardoor de accu ook kan beschadigen.

Energie afgift en stroomsterkte bij het ontladen.
Hoeveel energie en hoeveel stroom een cel kan leveren (de capaciteit en de maximale stroom) hangen van veel factoren af waarvan de afmetingen veruit het belangrijkste zijn. Hoe groter de werkzame oppervlakte van de platen in de cel hoe groter de capaciteit en de stroom.
Een cel is van binnen vrijwel altijd opgebouwd uit meerdere platen. De + en een - plaat bestaan uit meerdere platen die om en om geplaatst worden. Bijvoorbeeld eerst een + plaat dan een - dan weer + weer - en soms nog wel een + en een - plaat. Tussen de afzonderlijke platen zitten scheidingsplaten. Dit zijn plaatjes van kunststof die moeten voorkomen dat de + en – platen tegen elkaar kunnen komen. Om het elektrolyt door te kunnen laten zijn de scheidingsplaten vaak van een soort sponsachtig materiaal gemaakt. De vloeistof en de ionen kunnen daar makkelijk doorheen.
Alle + platen worden parallel gemonteerd net als alle - platen. Hierdoor ontstaan dus platen met een heel groot oppervlak. Om het oppervlak van de platen nog groter te maken worden ze vaak ook nog geperforeerd. Door veel platen te gebruiken kan de cel veel stroom leveren. Door die platen te perforeren wordt de stroom weer iets lager maar vergroot je wel de capaciteit. Zo bestaat er een afweging tussen capaciteit en maximale stroom. Afhankelijk van de toepassing kan je kiezen voor een hoge capaciteit bij een wat lagere stroom of een lagere capaciteit maar hogere stroom.

Gel accu's, de meest gebruikte loodaccu in de modelbouw.
Tot nu toe heb ik alleen geschreven over de zogenaamde NATTE ACCU. Wij modelbouwers gebruiken echter meestal gel accu's, ook wel DROGE ACCU'S genoemd. Eigenlijk is weinig verschil met de natte accu's. Het grootste verschil is het elektrolyt. Bij gel accu's is dit in gel vorm en niet vloeibaar. De gel zit in de scheidingsplaten en de ruimtes om de platen. Verder is de inwendige constructie ook iets anders maar dat heeft weinig invloed op de eigenschappen.
Gel in plaats van een vloeibaar elektrolyt heeft zo zijn voor en nadelen.
Een groot voordeel is dat je de accu nu in alle standen kunt gebruiken zonder dat je bang hoeft te zijn dat het elektrolyt uit de accu loopt of dat de platen droog komen te staan.
Een ander voordeel is dat er tijdens het laden minder gas ontstaat en het gas dat ontstaat wordt in de sponsachtige scheidingsplaten opgenomen. De waterstof en de zuurstof worden langzaam weer samen gevoegd (gerecombineerd) om weer water te vormen. Dit gebeurt op soortgelijke wijze als in een brandstofcel waardoor er geen gevaar bestaat voor ontploffingen of brand. Er ontstaat wel een beetje warmte waardoor gel accu’s tijdens het laden iets warmer worden dan natte accu’s.
Door deze manier van werken gaat er geen water verloren waardoor deze accu's vrijwel onderhoudsvrij zijn. Af en toe gedestilleerd water bij vullen is niet nodig, het kan meestal niet eens. Toch moet je ook bij de gel accu's niet doorgaan met laden als de accu vol is en je kan de accu ook niet zo snel laden als een natte accu. Doe je dat wel dan ontstaat er veel gas, zoveel dat het niet snel genoeg gerecombineerd kan worden. Er ontstaat dan overdruk in de accu en via een veiligheidsventiel zal het gas ontsnappen. Al het gas dat ontsnapt ben je kwijt en kan niet meer aangevuld worden. Het resultaat is dat de capaciteit van de accu achteruit gaat. Als je vaak overlaadt of heel snel laad zal de accu snel onbruikbaar worden.
Het laatste voordeel dat ik noemen wil is dat er minder snel sulfatering van de platen optreed. Dat wil niet zeggen dat het niet gebeurt, je moet ook een gel accu niet te ver ontladen en niet ongeladen wegzetten.

Het grootste nadeel van een gel accu is het feit dat ze minder stroom kunnen leveren. De chemische processen verlopen iets langzamer in de gel waardoor de maximale stroom die een gel accu kan leveren lager is dan een natte accu van gelijke afmetingen. Ook is het niet mogelijk om verloren gegaan water uit de gel aan te vullen. Als er dus water door gasvorming verdwijnt ben je capaciteit kwijt.
Een ander nadeel is de capaciteit, deze is iets minder dus is een gel accu van een bepaalde capaciteit over het algemeen ook groter en zwaarder dan een natte accu van dezelfde capaciteit.
Als laatste nadeel wil ik de prijs noemen, gel accu’s zijn duurder dan natte accu’s.

Loodaccu's laden.
We weten nu hoe een loodaccu werkt maar hoe kan je hem het beste laden?
Het laden van een loodaccu is niets meer of minder dan een elektrochemisch proces waarbij loodsulfide op de + plaat wordt om gevormd naar loodoxide. De loodsulfide op de min plaat wordt omgevormd naar zuiver lood. Bij een lege accu kan er een flinke stroom lopen die zich over het hele oppervlak zal verspreiden. Je krijgt dan een bepaalde stroom per plaatoppervlak, bijvoorbeeld 10mA per cm2. Dit heet de stroomdichtheid. Om het proces op een goede manier te laten verlopen is er een ideale stroomdichtheid. Een te lage stroomdichtheid betekent een lange laadtijd. Een te hoge stroomdichtheid is ook niet goed. Dit komt doordat er tijd nodig is voor de chemische reactie van loodsulfide naar loodoxide of lood. Hoe hoog deze stroom mag / moet zijn is afhankelijk van de constructie van de platen. Het is de fabrikant die een maximum laadstroom moet op geven. Nu is het niet zo dat deze waarde heel erg nauwkeurig moet zijn. Binnen een bepaald gebied zal het laden prima verlopen. Als de stroom hoger wordt zal de reactie sneller gaan tot een bepaalde snelheid is bereikt, sneller kan gewoon niet. Alle extra stroom die er toch door de accu wordt gestuurd zal alleen de accu maar opwarmen en water splitsen.
Langzaam maar zeker zal de hele plus plaat bedekt raken met een laagje loodoxide. Omdat er steeds minder plaatoppervlak beschikbaar is zal de stroom ook minder moeten worden omdat anders de stroom per cm2 te hoog wordt. Wanneer de accu helemaal geladen is heeft het geen zin om stroom door de accu te blijven sturen, het laden kan dus stoppen, beter gezegd moet stoppen.

Als je dit zo leest zou je gaan denken dat een heel ingewikkelde lader nodig is maar dat is gelukkig niet waar. We kunnen gebruik maken van een eigenschap van de loodaccu. Naarmate de accu voller wordt loopt de spanning langzaam op en wanneer een spanning van 2,3V per cel is bereikt is de cel vol.
De lader is een elektronische schakeling die een maximale spanning afgeeft van 2,3V per cel. Voor een 12V accu is dat dus 13,8V. De maximale stroom die er kan lopen is begrensd op een waarde die ongeveer gelijk is aan de ideale stroomdichtheid.
Als er een lege accu op de lader aangesloten wordt is het spanningsverschil tussen de lader en de accu groot. Daardoor zal de maximale stroom gaan lopen. Naarmate de accu voller wordt stijgt de spanning en wordt het verschil met de lader steeds kleiner. Omdat het spanningsverschil kleiner wordt zal de stroom lager worden. Uiteindelijk zal de spanning van de accu gelijk zijn aan die van de lader en als er geen spanningsverschil is loopt er geen stroom. Op deze manier bereiken we precies wat we willen. Een hoge laadstroom als de accu leeg is, minder naarmate hij voller wordt en geen stroom meer als hij vol is.

Een aantal maren.

Eigenlijk zou hier het verhaal klaar zijn maar zoals altijd zijn er nog een aantal maren.
De celspanning en de temperatuur.
Ik heb een celspanning genoemd van 2,3V per cel. Dat klopt, bij een temperatuur van 25°C. De celspanning is namelijk afhankelijk van de temperatuur. Naarmate de temperatuur hoger wordt zal de celspanning lager worden. Bij 40°C is hij teruggelopen tot 2,20V per cel. Als de temperatuur daalt tot 0°C loopt de celspanning op naar 2,35V per cel.
ls je alles echt perfect wilt laten werken moet je dus de laadspanning aanpassen aan de temperatuur. Speciale loodaccu laders hebben deze aanpassing ingebouwd maar de “gewone” laders staan ingesteld op de spanning bij 20~25°C. Wanneer we gewoon thuis onze accu laden zal dit geen problemen geven en zal de accu gedurende zijn normale levensduur goede prestaties leveren.
Wel moeten we opletten als we onze accu willen laden bij hele lage temperaturen. Als we dan blijven laden met 2,3V per cel zal de accu nooit helemaal vol komen. Daar komt bij dat de capaciteit van de accu lager wordt naarmate de temperatuur daalt.
Een loodaccu mag nooit bevriezen, gebeurt dat wel dan is de accu meestal naar de maan en kan je hem weggooien. Bij een geheel geladen accu is de zuurgraad van het electrolyt het hoogst. Zo'n accu zal pas bij iets van -25°C of zo bevriezen, daar hoeven wij niet zo bang voor te zijn. Bij een lege accu moeten we wel voorzichtig zijn. De zuurgraad is veel lager en de accu bevriest dus sneller.

Celspanning en gebruik van de accu.
Een tweede maar is dat de celspanning ook afhankelijk is van de manier waarop de accu gebruikt wordt. Er wordt onderscheid gemaakt tussen cyclisch en stand-by gebruik. Cyclisch gebruik is de manier waarop wij meestal onze lood accu gebruiken. De accu wordt geladen en als hij vol is wordt hij van de lader gehaald. De accu wordt op het veld, de baan of in de boot gebruikt tot hij leeg is waarna hij weer opgeladen wordt.
Stand-by gebruik is de manier waarop een accu gebruikt wordt in bijvoorbeeld een noodstroom installatie. De accu hangt constant aan de lader die tegelijkertijd het apparaat van stroom voorziet. Valt de netspanning uit dan zal de lader / voeding geen stroom meer leveren en neemt de accu het automatisch over.
Omdat de accu bij stand-by gebruik constant aan de lader hangt moeten we er voor zorgen dat er geen laadstroom meer loopt als de accu echt vol is. Blijft er wel stroom lopen dan zal de accu er door opwarmen en zal het water in het elektrolyt splitsen in waterstof en zuurstof. Beide is niet goed voor de accu. Om deze reden zal de celspanning van 2,3V per cel echt aangehouden moeten worden Bij deze laders wordt ook bijna altijd de temperatuur compensatie toegepast om te zorgen dat veranderingen in de temperatuur geen nadelige effecten hebben op de levensduur van de accu.
Bij cyclisch gebruik kunnen we de celspanning iets verhogen om daarmee de accu iets sneller vol te krijgen en er ook iets meer in te krijgen. Bij deze vorm van gebruik mogen we de celspanning verhogen tot 2,45V per cel. Dit is dus een eindspanning van 14,7V voor een 12V accu. Voorwaarde is wel dat we de accu dan niet langer dan ongeveer 24 uur aan de lader laten hangen. Beter is om de accu van de lader te halen als de laadstroom gedaald tot ongeveer 1/100ste van de beginstroom. Er bestaan laders die afschakelen als de laadstroom zover gedaald is. Dit zijn de professionele laders die voor het laden van, bijvoorbeeld, heftruck accu’s gebruikt worden.

Als laatste een waarschuwing.
Lood accu’s kunnen echt slecht tegen (te) ver ontladen. Waarom is al ter sprake gekomen. Wat nu te doen al je accu om welke reden dan ook wel eens helemaal ontladen is? Het is dan zaak de accu zo snel mogelijk aan de lader te hangen om erger te voorkomen. Je moet echter wel zorgen dat niet direct de volle laadstroom gaat lopen. Als een accu echt helemaal ontladen is bestaat er in theorie geen verschil meer tussen de + en de – polen. Beide platen zijn gewone loden platen. Door eerst voorzichtig een kleine laadstroom bij een lage spanning (2V per cel) te laten lopen zorgen we ervoor dat alleen op de + plaat een dun laagje loodoxide begint te komen. Alle eventueel op de - plaat aanwezige loodoxide moet worden afgebroken en alle platen in een cel moeten terug naar hun begintoestand om te zorgen dat ze allemaal gelijk opgeladen kunnen worden. Alleen dan kan je de maximale capaciteit en stroom uit een loodaccu krijgen. Dit proces noemt men vereffenen.
De meeste van ons hebben maar één lood accu lader en daarmee is het niet mogelijk om een hele lage stroom in te stellen om de accu te vereffenen. We kunnen daarvoor de gewone lader gebruiken met een weerstand in serie. Deze weerstand moet de laadstroom (en dus ook de spanning) beperken tot ongeveer 0,1C voor deze vereffeningsstroom. Na een uur of 2 a 3 kan de weerstand er tussenuit en kan de accu normaal verder geladen worden. Het is niet de ideale manier maar wel goed bruikbaar.
De beste manier is een lader waarvan de spanning ingesteld is op 2V per cel en de stroom begrensd is op 0,1C. Sluit deze lader aan op de accu die vereffend moet worden en houdt de spanning in de gaten. Bij het aansluiten zal de spanning flink inzakken omdat de accu bijna een kortsluiting vormt. Naarmate de platen zich beginnen te vereffenen zal de spanning ongeveer 2V worden. Op dat moment zal de stroom minder gaan worden en het proces stoppen. Wacht dan nog een uur of zo voordat je de vereffeningslader eraf haalt en de gewone lader aansluit.

Veel te ver ontladen accu, wat dan?
En dan het geval dat je het niet in de gaten hebt dat de accu helemaal leeg is en de accu blijft een aantal dagen zo staan. Als dat gebeurd heb je een probleem. Meestal betekent dit het einde van de accu. Als je de lader aansluit zal er niet eens stroom gaan lopen, de accu lijkt wel een hele hoge weerstand. Dit komt door de grote loodsulfide kristallen die op de platen zijn ontstaan.
Je zou kunnen proberen om met een losse voeding spanning op de accu te zetten om dan toch stroom erdoor te “persen”. Het is niet onmogelijk dat je er 30V op moet zetten om maar 0,1A te laten lopen. Stel de stroom begrenzing van de voeding in op de maximale laadstroom en laat de accu zo een tijd staan. Als je mazzel hebt zal na verloop van tijd toch stroom gaan lopen omdat de loodsulfide kristallen toch hier en daar stroom doorlaten. Die stroom kan de nog aanwezige kleine kristallen afbreken en weer omzetten naar loodoxide en zwaverzuur waardoor de accu toch weer gaat werken. De garantie dat het werkt kan ik niet geven maar het is mij wel eens gelukt. De accu werkt wel weer maar hij is niet meer de oude en zal dat ook nooit meer worden. De capaciteit is veel tot heel veel minder geworden en de inwendige weerstand is veel hoger geworden. Als de accu voor zware belastingen gebruikt wordt is hij daar totaal ongeschikt voor geworden. Dit komt omdat je de grote loodsulfide kristallen lang niet weg kan krijgen. Overal waar deze kristallen nog zitten kan de plaat niet meer mee doen aan het chemische proces. Een kleiner werkzaam oppervlak van de platen betekent een lagere capaciteit en een lagere stroom.
Een lood accu die te lang ongeladen heeft gestaan kan je eigenlijk direct wel weggooien. Dat komt doordat er te veel kleine kristallen zijn samengeklonterd tot grote niet meer afbreekbare kristellen. Een accu weg gooien doe je bij het chemisch afval! Sommige garages zijn ook bereid een oude accu aan te nemen. Die gaat dan mee met de accu’s van henzelf naar een speciaal bedrijf die de accu’s demonteert om er het lood uit terug te winnen.

Ik hoop dat de loodaccu’s nu wat minder geheimen voor jullie hebben zodat jullie er, door ze goed te behandelen, langer plezier van kunnen hebben.
Ernst Grundmann.


Aanvulling
Met enige regelmaat heb ik de volgende vraag gekregen:
Met welke stroom mag een lood gel (of SLA) accu geladen worden? (SLA= Sealed Lead Acid accu, een veel gebruikte Engelse naam voor een lood gel accu).
Dat is moeilijk te zeggen want dat hangt helemaal van de accu af. De meeste fabrikanten geven op dat de maximale laadstroom 0,3C tot 0,5C mag zijn. Enkele fabrikanten durven tot 0,7C te gaan maar dat zijn meestal slechts enkele speciale types. Het is dus het veiligste om van maximaal 0,5C uit te gaan maar minder is ook goed, zelfs beter!
Heel veel laders die speciaal voor het laden van SLA accu's zijn gemaakt laden met een maximale stroom van niet meer dan 0,3C! Dit langzamer laden is beter voor de accu en zal zorgen voor een langere levensduur.
Een goede lader voor een 12V/7Ah lood gell accu (of SLA) heeft een eindspanning van 13,8V en een laadstroom van maximaal 3,5A (2A is dus beter). Wanneer je na een middagje gebruik thuis komt sluit je de accu aan op de lader en "vergeet" hem tot je hem weer nodig hebt. De accu kan je zonder gevaar oneindig lang op de lader aangesloten laten, het is zelfs goed voor de accu.
Heb je een lader met een laadspanning van 14,4V dan kan je die ook gebruiken maar dan kan je de accu niet oneindig lang op de lader aangesloten laten. Na maximaal zo'n 12 uur moet je de accu toch wel van de lader halen, anders gaat hij echt kapot!
Dan zijn er ook nog geavanceerde laders, deze beginnen het laden met een eindspanning van 14,4V. Wanneer de accu vol is wordt er terug geschakeld naar 13,8V en zo kan de accu wel oneindig lang op de lader aangesloten blijven. Een aantal van die laders hebben ook een "onderhoudsprogramma" ingebouwd. Hiermee kan je de accu in topconditie houden. Of dit voor ons modelbouwers zinvol is waag ik te betwijfelen, kwaad kan het vrijwel zeker niet. Heb je het geld er voor over dan kan je zo'n lader kopen en gebruiken, het is geheel aan jezelf.

Ernst Grundmann.

 

NiCd batterijen:

Komt nog...

 

NiMh batterijen:
Bron: Ernst Grundmann - http://www.modelbouwforum.nl/forums/faq-accus-en-laadtechnieken/63677-de-nikkel-metaalhydride-accu.html

Nikkel Metaalhydride accu’s.
Om te beginnen ga ik een aantal definities uitleggen en daarna mijn conclusies opschrijven. Als je geen zin hebt om het hele verhaal te lezen dan kan je het bij de definities en conclusies laten. Wil je echter weten hoe ik tot deze conclusies ben gekomen dan moet je het hele verhaal lezen.

Celspanning.
De celspanning wordt weergegeven in Volts, afgekort als V.
Net als NiCad cellen hebben NiMH cellen een nominale celspanning van 1,2V. Dit betekend dat de celspanning gedurende het grootste deel van de ontlaadtijd ongeveer 1,2V is.
Normaal is de maximale celspanning van een volle cel ongeveer 1,45V en een helemaal lege cel 0,9V. Het is niet goed voor de chemie in de cel om hoger te gaan dan 1,45V of lager dan 0,9V.
In het begin van het ontladen zal de spanning vrij snel zakken tot net boven de 1,2V. Dan zal de spanning langzaam zakken tot ongeveer 1,1V. De cel is nu bijna leeg en nu zal de spanning steeds sneller gaan zakken tot 0V toe als je niet stopt met ontladen.
Wanneer je een lege cel even laat liggen zal de spanning vrij snel weer terug naar ongeveer 1,1V gaan. Hij lijkt dan nog niet helemaal leeg te zijn maar als je dan weer stroom gaat gebruiken stort de spanning heel snel in.
De CAPACITEIT (afgekort als C) wordt weergegeven in Ampère uur of milli Ampère uur, dit wordt afgekort als Ah of mAh. (let op de schrijfwijze, dit is de juiste!)
De Laad- en Ontlaadstroom worden weergegeven in Ampère, afgekort als A. Je ziet ook vaak mA staan dit staat voor milli Ampère, 1mA is één duizendste Ampère (0,001A). Een andere manier om de laad- of ontlaadstroom weer te geven is als een functie van de capaciteit. Dan krijg je bijvoorbeeld een laadstroom van 1/10 C en een ontlaadstroom van 2C. Dit is een laadstroom van één tiende van de capaciteit en een maximale ontlaadstroom van 2 maal de capaciteit. Voor een cel van 3000mAh betekend dit dus laden met 300mA en ontladen met maximaal 6000mA.

NiMH accu’s opladen.
Voor het overgrote deel is dit hetzelfde als bij NiCad accu’s.

Langzaam laden, dit is laden met een vrij kleine stroom, in het algemeen tussen de 0,1 en 0,2 C.
Voordelen:
Je kan een eenvoudige goedkope lader gebruiken.
Accu komt echt helemaal vol.
De kans op problemen door overladen is klein. Ook al is de accu vol dan kan hij zonder gevaar voor ontploffingen of zo nog enige tijd aangesloten blijven op de lader.
Weinig warmteontwikkeling tijdens eventueel overladen.
Nadelen:
Lange laadtijd.
De toch al kleine delta piek is nog kleiner waardoor het lastig tot vrijwel onmogelijk kan zijn om deze te gebruiken om de lader te stoppen als de accu vol is. Hierdoor is de kans op overladen erg groot en NiMH kan niet best tegen overladen. Ook overladen met deze kleine stromen is niet goed voor de levensduur van NiMH accu’s. De accu zal niet ontploffen of zo iets maar de levensduur gaat wel degelijk achteruit als je vaak overlaad.

Versneld laden, dit is laden met een stroom tussen de 0,5 en 1C.
Voordelen:
Kortere laadtijd.
De chemische reacties verlopen snel maar niet te snel. Al het actieve materiaal van de platen kan nog meedoen aan de reacties en wordt vrijwel optimaal benut.
Veel duidelijkere delta piek, hij is bruikbaar om de lader te stoppen als de accu vol is.
Nadelen:
Zwaardere en meestal ingewikkeldere dus duurdere lader nodig
Grotere kans op schade door overladen. Als de accu vol is moet het laden gestopt worden. De kans op schade is vrij groot wanneer dan toch doorgegaan wordt met laden.
Meer warmteontwikkeling tijdens (over)laden.
Waarschuwing! Anders dan NiCad’s worden NiMH accu’s altijd een beetje warm tijdens het laden. Hoe sneller je laad des te warmer wordt de accu. Wanneer de accu vol is wordt alle laadenergie die je er dan nog in stopt in warmte omgezet. Hierdoor zal de accu heel snel warm worden en zelfs zo heet kunnen worden dat de waterstof uit het metaalhydride vrij komt. Hierdoor kan de druk in de cel snel oplopen en het ventiel open gaan. De druk kan dan niet te hoog oplopen omdat er waterstof weg kan. Dit gaat ten koste van de capaciteit.
Helaas is al wel gebleken dat door diverse oorzaken het ventiel niet altijd (ver genoeg) open gaat. De druk in de cellen kan dan wel oplopen waardoor ze kunnen ontploffen. DAT KAN GEVAARLIJK ZIJN!

Snel laden, dit is laden met een laadstroom groter dan 1C.
Voordelen:
Veel kortere laadtijd.
Nadelen:
Nog zwaardere dus duurdere lader nodig.
Hele grote kans op schade door overladen. De lader moet echt stoppen als de accu vol is.
Veel warmte ontwikkeling tijdens (over)laden. Dit vergroot nog eens de kans op schade. Zie ook de waarschuwing bij versneld laden.
Niet al het actieve materiaal krijgt de tijd mee te doen aan de chemische reacties omdat die te snel moeten verlopen. Om deze reden zal er minder energie in de accu opgeslagen kunnen worden. In het ergste geval kan dit tot 20% minder zijn! Dit is veel meer dan bij NiCad’s.
Het wordt heel sterk afgeraden om NiMH accu’s met grotere stromen dan ongeveer 1C te laden.

Zeer snel laden (turbo laden), dit is laden met hele hoge stromen, veel groter dan 1C tot soms wel 5C toe.
Voordeel:
Veel kortere laad tijd.
Nadelen:
De chemische reacties kunnen niet zo snel verlopen dat alle energie die door de lader in de accu wordt gestopt ook echt wordt opgeslagen. Hierdoor wordt de accu al erg warm tijdens het laden in plaats van pas als de accu vol is.
De gassen die tijdens het laden ontstaan kunnen niet snel genoeg “opgeslagen” worden waardoor de druk in de cellen op zal lopen. De druk kan zelfs zo snel oplopen dat het veiligheidsventiel niet voldoende af kan blazen. Hierdoor is er een reëel gevaar dat een cel open scheurt of zelfs ontploft. Omdat er in NiMH bij deze hoge laadstromen zowel waterstof als zuurstof (samen is dat knalgas) ontstaat kan het ontploffen van een NiMH cel dus echt gevaarlijk zijn.
NiMH accu’s moet je feitelijk NOOIT op deze manier opladen. Het is gevaarlijk en kost je absoluut je accu!

Accu opslaan:
Korte tijd opslaan, een paar dagen tot enkele weken.
Voor kortere tijd kunnen we een NiMH accu gewoon wegleggen op een droge plek en bij kamertemperatuur. Het is wel aan te bevelen de accu los te koppelen van het apparaat om elke belasting uit te sluiten. Wanneer het apparaat een echte aan/uit schakelaar heeft is los koppelen niet noodzakelijk. De accu kan geladen of ongeladen weggelegd worden.
De zelf ontlading van NiMH accu’s is duidelijk groter dan van NiCad accu’s. Onder “normale” omstandigheden kan die zelfontlading wel 10% per maand zijn. De mate van zelfontlading is afhankelijk van de laadtoestand en de temperatuur. Een volledig geladen NiMH accu zal sneller leeg raken door zelfontlading dan een gedeeltelijk geladen accu. Dit komt door chemische processen die in de accu plaats vinden. Om deze reden is het beste om een NiMH tot maximaal ongeveer 70% te laden en dan op te bergen. De zelfontlading kan je ook verkleinen door de accu in de koelkast te bewaren. Let wel op dat hij droog blijft en niet bevriest. Je kan de accu in een goed dicht geknoopte plastic zak doen met een zakje silicagel of vochtvreter erbij. Je moet wel zorgen dat je cellen nooit kunnen bevriezen. Als dat wel gebeurt kunnen ze binnenin kapot vriezen en onbruikbaar worden.
Een accu uit de koelkast moet voor gebruik eerst op kamertemperatuur komen, 24 uur van te voren uit de koelkast halen is prima. Daarna kan hij geladen worden en weer gebruikt worden. Na een langere opslagtijd kan het nodig zijn om de accu eerst één of twee keer te laden en ontladen.
Een ongeladen accu hoeft tijdens de opslag periode niet geladen te worden maar voordat hij weer in gebruik genomen wordt moet hij eerst enkele malen geladen en ontladen worden. Hoe vaak dit moet gebeuren hangt af van de opslagtijd en kan oplopen tot wel vier of vijf keer.

Lange tijd opslaan, enkele maanden tot jaren.
NiMH accu’s die lange tijd niet gebruikt worden kunnen het beste vrijwel leeg opgeslagen worden. Een lading van ongeveer 10% is prima. Dit omdat de zelfontlading dan het kleinst is en ze dan tussentijds niet geladen hoeven te worden. Net als bij NiCad’s moeten NiMH accu’s na langdurige opslag opnieuw geformeerd worden. Dit gebeurt op dezelfde manier als bij NiCad’s.
Toch zal de capaciteit minder zijn geworden en zal de accu ook niet meer in staat zal zijn net zo veel stroom te leveren als voor de langdurige opslag. Ook voor NiMH accu’s is langdurige opslag eigenlijk niet goed. Ze zijn gemaakt om gebruikt te worden.

Gebruikstemperaturen.
NiMH accu’s werken het beste bij kamer temperatuur. Het temperatuur gebied waar ze het beste presteren is iets groter dan van NiCad’s namelijk tussen de 15°C en 45oC. Vooral bij het lager worden van de temperatuur gaan de ontlaad eigenschappen snel achteruit.
Anders dan bij NiCad’s heeft het laden veel minder te lijden onder de temperatuur. Zowel hete als koude cellen kunnen geladen worden. Maar je moet er wel op letten dat de temperatuur van de cellen nooit boven de 70°C uit komt. Ook moet je de laadstroom bij temperaturen onder de 15°C en boven de 45°C lager maken dan 0,5C. Hoe hoger of hoe lager de temperatuur hoe lager de laadstroom. Onder de 0°C of boven de 55°C kan je NiMH beter niet meer laden.
NiMH accu’s zullen het langst en het best werken als ze gebruikt en behandeld worden zoals hierboven omschreven. Er zijn echter mensen die anders met hun accu’s omgaan. Dit zou voordelen hebben maar gaat wel ten kosten van de levensduur van de accu’s. Het hoe en waarom wordt in de rest van het verhaal duidelijk.

De Ontdekking van de NiMH accu (een stukje historie).
Deze accu’s bestaan al sinds de zeventiger jaren! Nou ja, in een laboratorium als een soort van “eigenaardigheid”. Ze zijn ontdekt tijdens onderzoek voor de ruimtevaart.
In de ruimtevaart wordt veel gebruik gemaakt van brandstofcellen. Deze kunnen veel energie leveren en hebben nog een paar handige eigenschappen. Brandstof cellen kunnen met verschillende soorten brandstof werken maar de meeste energie levert waterstof en zuurstof als brandstof. In de spaceshuttle zitten dus een paar flinke tanks waar waterstof en vloeibare zuurstof in zit. Dit wordt in de brandstofcellen samengevoegd waarbij water en elektriciteit ontstaat. Zo leveren ze behalve elektriciteit ook al het water dat in de spaceshuttle nodig is.
Er is echter één (groot) probleem en dat is de opslag van de waterstof. Waterstof moleculen zijn de kleinste moleculen die bestaan en die zijn nergens mee tegen te houden. Ze gaan overal doorheen dus kan je het nergens definitief in opslaan. Dat is één probleem maar ook het feit dat je een heleboel waterstof nodig hebt en je maar relatief weinig ergens in kan krijgen is een groot probleem. Om de grootste hoeveelheid gas ergens in te krijgen moet je het vloeibaar maken. Dat vloeibaar maken is bij waterstof niet eenvoudig. Propaan wordt bijvoorbeeld al vloeibaar bij -42°C. Maar waterstof wordt pas vloeibaar bij -253°C waardoor het gigantisch veel energie kost. En dan is er ook nog het probleem dat een liter vloeibare waterstof relatief weinig energie bevat. Stel in een liter benzine zit een hoeveelheid energie van 100. Dan zit er in een liter vloeibare waterstof maar een hoeveelheid energie van 27! Met andere woorden je hebt ruim 3 liter vloeibare waterstof nodig om evenveel energie te krijgen als 1 liter benzine. Daar komt bij dat de waterstof moleculen overal doorheen kunnen komen. Dus als je een tank vol vloeibare waterstof hebt zal die langzaam maar zeker leeglopen omdat de moleculen gewoon door de metalen cilinder heen ontsnappen. Dat duurt natuurlijk heel lang en is afhankelijk van de wanddikte van die cilinder maar toch gebeurt het. Hier op de aarde kunnen we opslagcilinders maken met een flinke wanddikte maar dat is in de ruimtevaart een groot probleem. Het weegt veel te veel!
De onderzoekers moesten dus op zoek naar andere (betere) methodes voor de opslag van waterstof. Men heeft ontdekt dat je waterstof IN diverse metalen kan opslaan en dan kan je behoorlijk veel waterstof kwijt. Er is heel veel onderzoek gedaan naar welke metalen de meeste watersof konden opnemen maar ook weer vrij makkelijk af konden geven. Nikkel bleek zo’n metaal te zijn. Nikkel kan vrij grote volumes aan waterstof opnemen en bij geringe verwarming tot zo’n 40°C á 50°C weer vrij makkelijk afgeven.
Tijdens de experimenten ontdekte men dat er een spanningsverschil ontstond tussen de waterstof en het metaal. De waterstof opslagcel bleek als een soort batterij te werken die zelfs behoorlijke stromen kon leveren. Dit was lastig want men moest nu ook letten dat er geen “kortsluiting” ontstond want door die hoge stromen kon de boel nogal warm worden.
Men is dit effect in het lab gaan onderzoeken om iets te vinden om de problemen op te lossen. Zo ontdekte men dat het proces omkeerbaar was, je kon de batterij dus weer “opladen”. Helaas was er nog geen mogelijkheid om er iets “nuttigs” mee te doen. De zaak was te groot en te zwaar. Ook de temperaturen waren nogal kritisch. Het waterstof komt al bij vrij lage temperaturen vrij en waterstof is een heel erg brandbaar gas dus gevaarlijk. Lange tijd was het dus alleen in een laboratorium mogelijk om een NiMH accu te laten werken.
Het onderzoek naar metalen voor de opslag van waterstof bleef echter doorgaan. Er zijn diverse “nieuwe” metalen ontdekt die dezelfde of zelfs nog betere eigenschappen hebben als nikkel. Op dit moment zijn er metalen die tot wel 1000 maal het eigen volume aan waterstof kunnen opslaan. Veel hiervan bestaan uit een mengsel van diverse metalen en behoren tot de zogenaamde “rare earth” (zeldzame aarde) metalen. De ontdekking hiervan komt weer uit de wereld van de supergeleiding. Een aantal van deze metalen houden het waterstof bij hogere temperaturen vast dan nikkel andere juist weer bij lagere. Sommige kunnen goed gesinterd worden andere weer niet. Zo waren er lichtere metalen en ook zwaardere en zo zijn er nog meer eigenschappen die een voordeel of juist een nadeel waren.
De “accu eigenschappen” waren niet vergeten en door de ontdekking van de diverse metalen kon men verder experimenteren. Uiteindelijk heeft dit tot gevolg gehad dat er een veilige en goed bruikbare Nikkel Metaalhydride accu op de markt is gekomen.
Tot zover de “historie”.

Opbouw van een NiMH cel.
De positieve elektrode van een NiMH cel is gemaakt van nikkelhydroxide. De negatieve pool is het waterstofgas. Waterstof is moeilijk ergens in vast te houden en het is niet mogelijk om aan dit gas een “draadje te solderen”. Om deze reden wordt het gas opgeslagen in een “rare earth” metaal. Dit is een mengsel van diverse metalen, welke mengsels dat precies zijn wordt door de diverse fabrikanten angstvallig geheim gehouden. Elke fabrikant heeft zo zijn eigen mengsel(s), het ene werkt beter dan het andere wat ook weer afhankelijk is van het gebruik. De eigenschap van dit metaal mengsel is dat het waterstof IN zich kan opslaan en vasthouden. Zelfs bij vrij hoge temperaturen, tot wel 70°C, kan het de waterstof vasthouden. Wanneer er in dit metaal waterstof is opgeslagen heet het een metaalhydride.
Het elektrolyt dat in NiMH cellen wordt gebruikt is kaliumhydroxide(KOH). In zuivere vorm is KOH erg gevaarlijk maar het is verdunt in water, 30% KOH en 70% H2O zodat het wat minder gevaarlijk is. Toch moet je opletten dat je het niet op je handen of kleding krijgt als er iets uit een cel lekt. Het kan brandwonden en kapotte kleding veroorzaken. Wanneer je accupakket op is moet je het ook bij het chemisch afval depot inleveren en NIET in de vuilnisbak gooien.
Om te voorkomen dat de elektrodes elkaar raken zit er een kunststof separator tussen. Meestal wordt hier een soort nylon of polyethyleen voor gebruikt. Om toch de elektronen en ionen door te kunnen laten moet de separator wel poreus zijn. Met speciale technieken maakt men hele dunne folie’s die heel erg veel minuscule gaatjes bevatten. Hierdoor is de folie poreus maar kunnen de elektrodes elkaar toch niet raken. Ondanks wat vele mensen denken kunnen deze kunststoffen wel degelijk verouderen en een soort van verteren. Vooral in een zuurstof rijke omgeving gebeurt dit relatief snel. Daarom moeten we voorkomen dat er in de cellen zuurstof ontstaat. Zuurstof ontstaat alleen tijdens het overladen, wanneer we dat niet doen wordt dit gevaar dat de levensduur bedreigt veel kleiner.
Er zijn diverse manieren waarop de elektrodes samen gevoegd worden en in een behuizing worden gemonteerd. Dat hangt af van de soort cel en de fabrikant. Het kan bijvoorbeeld als volgt gedaan worden. De positieve elektrode is een hele dunne nikkel folie. De negatieve elektrode is ook een dunne folie van een metaalhydride. Er worden stroken van die folie op elkaar gelegd met de separator ertussen. Daarna wordt het geheel opgerold en in een metalen bus gedaan. Er wordt een kleine hoeveelheid elektrolyt toegevoegd. De elektrode van metaalhydride wordt verbonden met het metalen huis en vormt de min pool. De elektrode van nikkel wordt verbonden met de bovenkant van de cel en vormt de plus pool. De deksel met daarin het veiligheidsventiel wordt gemonteerd waarna de cel klaar is voor gebruik.

Wat gebeurt er tijdens het laden?
Tijdens het opladen van een NiMH cel wordt een klein beetje waterstof uit de metaalhydride vrijgemaakt en aan de positieve elektrode gebonden. Het nikkelhydroxide wordt daardoor omgezet in nikkeloxyhydroxide. Bij deze chemische reacties komt een klein beetje warmte vrij waardoor de temperatuur van de cel iets zal oplopen. Dit zal maar enkele graden Celsius zijn en daardoor bijna niet voelbaar aan de buitenkant van een cel. Wanneer je een accupakket samenstelt kan de temperatuur van dat pakket tijdens het laden iets hoger oplopen en kan je voelen dat het pakket net handwarm wordt. Dat is helemaal normaal, geeft dus niets en kan geen kwaad.
Een helemaal lege cel heeft een spanning van net even boven de 1V. Tijdens het laden loopt de spanning langzaam op en als de cel vrijwel vol is gaat de spanning sneller oplopen. De celspanning piekt bij ongeveer 1,4V of net iets daarboven om daarna weer iets terug te lopen. Dit is wat men de delta piek noemt. Omdat deze piek relatief eenvoudig te detecteren is wordt hij veel gebruikt als het punt waarop de lader moet stoppen met laden omdat de accu vol is. In feite is het een heel klein beetje te laat want de accu is vol op het punt waarop de spanning op z’n hoogst is. De lader stopt pas wanneer de spanning al weer iets gedaald is. Dit is geen probleem en zal de accu niet beschadigen.
Om directe schade tijdens kleine beetjes overladen te voorkomen is de positieve elektrode kleiner dan de negatieve elektrode. Hierdoor is de positieve elektroden eerder helemaal geladen dan de negatieve. De temperatuur zal op gaan lopen en de delta piek zal optreden. De lader hoort nu te stoppen. Ga je echter toch door met laden dan zal er geen energie meer opgeslagen kunnen worden omdat de positieve elektrode al vol is. Aan de positieve elektrode gaat, door het ontbinden van water uit het elektrolyt, zuurstof en waterstof ontstaan. Die zuurstof is niet best voor het inwendige van de cel dus moet het zo snel mogelijk “verdwijnen”. De waterstof en de zuurstof zal door de poreuze separator heen gaan naar de negatieve pool. Die is nog niet helemaal geladen en er is dus nog actief. Aan de negatieve pool zal de waterstof met de zuurstof gerecombineerd worden waardoor weer water ontstaat en een hoop warmte! Daardoor loopt dus de temperatuur van de cellen zo snel op als de accu vol is. Zo ontstaat dus een kringloop en wordt directe schade voorkomen.
Toch zal de zuurstof op den duur de separator en het nikkel aantasten en zal de cel langzaam maar zeker steeds slechter worden. Ook zal de warmte waterstof uit het metaalhydride los kunnen doen komen waardoor de druk in de cel oploopt. Als de druk te hoog dreigt te worden gaat er een veiligheidsventiel open en kan het gas weg. Helaas betekent dat bijna direct capaciteitsverlies want de negatieve elektrode (de waterstof) wordt kleiner. Omdat de negatieve elektrode iets groter is zal dat bij een heel klein beetje gasverlies nog meevallen maar je bent dan wel de overlaad beveiliging zoals hierboven beschreven kwijt.
Met welke stroom je kunt overladen is afhankelijk van hoeveel groter de negatieve elektrode is en van nog meer constructieve dingen. Daar hebben wij dus geen enkele invloed op het hangt volledig af van de fabrikant. De meeste fabrikanten houden rekening met overladen met maximaal 0,1C, een enkeling met overladen met maximaal 0,2C. Dat houdt dus in dat je, wanneer je met 0,5C tot 1C laad, je vrijwel niet mag overladen omdat het “ingebouwde beveiligingssysteem” dan niet voldoende werkt. De waterstof en zuurstof kunnen dan niet snel genoeg gerecombineerd worden en de druk in de cel zal snel oplopen met alle mogelijke gevolgen van dien.

Hoe lang laden?
Je moet laden tot de accu vol is, maar hoe bepaal je dat? De meest eenvoudige methode is er voor zorgen dat de accu helemaal leeg is en daarna met 0,1C gedurende 10 uur opladen. 10 maal 0,1C is 1C dus zou de accu helemaal vol moeten zijn. Helaas pindakaas maar dat gaat niet op. Zoals bij alles er treed altijd verlies op dus ook hier. Voor de chemische reacties die tijdens het laden in de cel plaats vinden is ook energie nodig. Een deel van de energie die tijdens het laden in de cel wordt gestopt gaat dus op aan deze chemische reacties.
Theoretisch is er voor die chemische reacties ongeveer 33% van de energie nodig en wordt er dus ongeveer 67% effectief opgeslagen. We moeten dus 33% langer laden om de accu echt vol te krijgen. Dat houdt in dat we 13,3 uur moeten laden om een lege NiMH cel met 0,1C laadstroom helemaal vol te krijgen. Helaas zijn er nog meer verliezen dus moeten we ook hierom iets langer laden. Omdat een korte tijd overladen met deze lage stroom maar weinig kwaad kan kunnen we veilig van 14 tot 15 uur uitgaan.
Om deze reden is het niet erg zinvol om te meten hoeveel je in een accu hebt gestopt tijdens het laden. Een 1000mAh cel zal zo ongeveer 1400mAh nodig hebben om helemaal vol te komen als hij leeg is. Het geeft je een indicatie maar meer ook niet. Het zegt niets over hoeveel je er daadwerkelijk uit zult krijgen en dat is veel belangrijker.
Wij modelbouwers zijn allemaal (wat) ongeduldig dus eerst de accu helemaal ontladen en dan gedurende 14 tot 15 uur opladen zien we meestal niet zitten. Daarom willen we de accu laden ook al is hij nog niet helemaal leeg. Gek genoeg is dat ook beter voor de accu. Hoe verder hij ontladen wordt hoe korter hij mee gaat. Dat effect is niet zo erg als bij loodaccu’s maar toch is het bij NiMH ook zo.
We willen de accu dus sneller laden en dat kan gelukkig ook. We moeten er dan wel voor zorgen dat het overladen tot het absolute minimum wordt beperkt omdat het bij deze grote stromen vrij snel schade kan veroorzaken. Om het laden op tijd te stoppen prefereren veel fabrikanten de temperatuur methode. Tussen de cellen van het accupakket wordt een temperatuursensor gemonteerd. Wanneer de accu vol is zal hij snel warmer worden. De lader meet dit met de sensor en stopt het laden. Het is een veilige manier die heel goed werkt. De meeste professionele NiMH laders in b.v. laptop computers werken zo. Ook kan de delta piek gebruikt worden. Helaas is die duidelijk kleiner (slechts 5 tot 10mV per cel) dan de delta piek van NiCad. De meeste oudere NiCad laders kunnen deze kleinere piek niet detecteren en zullen het laden niet op tijd stoppen. De modernere laders hebben vaak een NiMH stand en kunnen dan die kleinere piek wel detecteren.
Met een goede lader kunnen we nu veilig gaan laden met een grotere stroom dan 0,1C. We kunnen nu zonder gevaar tot 1C gaan. Een bijkomend voordeel van die hogere laadstroom is de delta piek ook groter wordt. Ik heb onlangs met een (engels talige) vertegenwoordiger van een accu groothandel gesproken. Hij vertelde mij dat diverse fabrikanten nu NiMH cellen op de markt brengen of gaan brengen die ook op 2C nog veilig geladen kunnen worden. Natuurlijk alleen met een goede lader die echt op tijd stopt met laden!
Nog sneller laden kan wel maar is weinig zinvol en gevaarlijk voor de cellen. Bij nog hogere stromen worden de verliezen steeds groter. Ook kunnen de chemische reacties gewoon niet sneller dan een bepaalde snelheid verlopen. Ga je dan toch nog meer laadstroom door de cel jagen dan wordt alleen maar die stroom opgeslagen die door de reacties verwerkt kan worden. De rest gaat als warmte verloren. Hierdoor wordt de cel alleen maar warmer tijdens het laden en daar heb je niets aan. Hoe snel de reacties kunnen verlopen hangt af van hoe de cel in elkaar zit en van de gebruikte materialen. Allemaal dingen waar wij niets aan kunnen veranderen. Daarom kunnen we ons het beste houden aan de adviezen van de fabrikanten en ons beperken tot laadstromen van maximaal 1C en binnen niet al te lange tijd misschien 2C.

Laden van koude of warme accu’s.
In tegenstelling tot NiCad kan je NiMH ook nog vrij goed laden als ze warm of juist koud zijn. De beste temperatuur voor het laden is tussen de 15°C en de 40°C. Tussen deze temperaturen kan je met de reeds genoemde stromen goed laden en zal het hoogst mogelijk laad redement behaalt kunnen worden. Is de temperatuur van de accu hoger of lager dan kan je nog wel laden maar dan moet je het langzamer doen, de maximum laadstroom is dan 0,5C. Hoe hoger of lager de temperatuur hoe langzamer je moet laden. Dit omdat de chemische reacties bij lagere temperaturen steeds langzamer gaan verlopen. Bij hogere temperaturen kan de accu te warm worden omdat tijdens het laden ook al warmte ontstaat. Boven de 60°C en onder de 0°C kan je beter niet meer laden om schade aan de cellen te voorkomen.

Wat gebeurt er tijdens het ontladen?
Tijdens het ontladen komt de waterstof uit de nikkeloxyhydroxide vrij en wordt weer in het metaalhydride opgeslagen. Voor deze reacties is warmte nodig, hierdoor zou de accu tijdens het ontladen koud moeten worden. Dat effect zullen we vrijwel nooit merken. Bij lage ontlaadstromen is die afkoeling heel gering en zal vrijwel niet te meten zijn. Bij hogere ontlaadstromen komt door de elektrische verliezen juist warmte vrij waardoor de temperatuur uiteindelijk zelfs zal oplopen.
Wanneer de lader gestopt is met laden is de celspanning rond de 1,4V. Dit zal vrij snel weer terugzakken naar een spanning tussen de1,3V en 1,35V. Op deze spanning zal de accu lange tijd blijven steken zolang de accu niet ontladen wordt.
Afhankelijk van de ontlaadstroom zal de celspanning in korte tijd terug zakken naar iets boven de 1,2V. Als je met 0,1C ontlaad kan het wel een minuut of 10 duren voordat dit gebeurt is. Ontlaad je met 10C of nog hoger dan duurt het misschien maar 30 seconden of nog korter.
Wanneer de celspanning tijdens het ontladen tot net boven de 1,2V is gezakt blijft die spanning gedurende een lange tijd rond deze spanning. Heel langzaam zakt de spanning enkele tienden van een Volt tot even onder de 1,2V. Wanneer de cel bijna leeg is gaat de spanning vrij plotseling sneller zakken. Dat gaat steeds sneller en wanneer de celspanning ongeveer 1V is geworden moet je stoppen met ontladen want dan is hij leeg. Ga je toch door met ontladen dan zal de spanning heel snel verder dalen, uiteindelijk wordt hij 0V.
Het bovenstaande geldt voor alle ontlaadstromen met. De spanning wordt (iets) lager naarmate de ontlaadstroom hoger wordt. Ook zal de spanning steeds sneller dalen naarmate de ontlaadstroom groter wordt.
Hoe hoog de ontlaadstroom van een cel kan zijn hangt helemaal af van de constructie van de cel en wordt dus bepaald door de fabrikant. De meeste cellen kunnen zonder problemen tot wel 5C leveren. Er zijn ook cellen te koop die tot wel 20C gaan.
Let er wel op dat de bruikbare capaciteit minder wordt naarmate de ontlaadstroom hoger wordt. Bij een ontlading met 5C zal de capaciteit dalen tot iets van 80%. Een 3000mAh accu zal dus maar een capaciteit leveren van ongeveer 2400mAh als hij ontladen wordt met 15Amp. Dit effect wordt steeds groter naarmate de ontlaadstroom hoger wordt. De cellen die met 20C ontladen worden zullen misschien maar 40% van de oorspronkelijke capaciteit kunnen leveren. Dit heeft niets met een geheugeneffect of zo iets te maken maar gewoon met de cel chemie en de verliezen die bij deze stromen in de cellen optreden.
Ook bij het ontladen heeft de temperatuur invloed op de capaciteit. Tussen de 15°C en 30°C is de volledige capaciteit beschikbaar. Wordt de temperatuur hoger dan zal het minder worden. Bij 50°C is het tot ongeveer 80% gedaald. Boven de 50°C wordt het “gevaarlijk” voor de NiMH cellen dus wordt afgeraden deze cellen bij deze temperaturen te gebruiken.
Bij lagere temperaturen gaat de capaciteit eerst langzaam en later sneller achteruit. Bij 10°C is de capaciteit gedaald tot ongeveer 80%. Bij 0°C is het al tot 60% gedaald en bij -20°C is er nog maar 15% van de capaciteit over. De cellen zijn dan zo goed als onbruikbaar en er is een groot gevaar dat de cellen bevriezen wat zeer schadelijk voor ze is. IJskristallen kunnen de separator en de dunne elektrodes kapotmaken met alle gevolgen van dien.
Om de cel chemisch stabiel te houden moeten we ook voorkomen dat de cellen te ver ontladen worden. Bij een langzame ontlading moeten we stoppen met ontladen wanneer de celspanning tot ongeveer 0,9V gedaald is. Bij hogere stromen kunnen we een lagere spanning aanhouden maar lager dan 0.7V per cel moeten we niet gaan. Wanneer regelmatig de cel te ver ontladen wordt zal de positieve elektrode daardoor beschadigt kunnen raken. Het wordt dan moeilijker voor de nikkelhydroxide om waterstof te binden en nikkeloxyhydroxide te vormen. Dat betekend dat de capaciteit van de cel minder wordt, het laadrendement wordt daardoor ook minder. Je moet dus langer laden om de cel vol te krijgen.
Wanneer de belasting van de accu los wordt gehaald moet de spanning binnen korte tijd weer oplopen tot ongeveer 1V per cel. Wanneer de cellen echt ver ontladen zijn zal die spanning heel langzaam oplopen en misschien de 1V niet meer halen. Deze cellen moet je niet direct met een hoge stroom gaan laden. Om schade te voorkomen moet je ze eerst met een lage laadstroom van ongeveer 0,1C opladen tot de spanning duidelijk boven de 1V per cel uitkomt. Daarna kan je weer sneller gaan laden.

NiMH cellen worden voor dezelfde toepassingen gebruikt als de NiCad cellen. Ze hebben ook voor een deel vergelijkbare eigenschappen. Toch zijn er een aantal belangrijke verschillen waardoor je NiCad’s niet zo maar door NiMH kan vervangen.
Het meest belangrijke verschil is de capaciteit van de cellen. Een NiMH cel kan tot ongeveer 30% meer energie opslaan dan een NiCad cel van dezelfde afmetingen.
Ook het laden gaat niet helemaal op dezelfde manier. De delta piek is duidelijk kleiner en daarom minder geschikt om als stopteken te gebruiken. De meeste fabrikanten geven de voorkeur aan de temperatuur methode. De laatste tijd hebben de laderfabrikanten niet stil gezeten en zijn er laders op de markt gekomen die wel de delta piek kunnen detecteren. Deze laadmethode is zo vertrouwd voor iedereen dus wil iedereen hem blijven gebruiken en dat kan nu dus ook.
De eerste NiMH cellen konden ook duidelijk minder hoge stromen leveren dan hun NiCad broertjes. Ook dat is vrijwel over, er zijn nu ook NiMH cellen die stromen tot wel 20C kunnen leveren. Je moet er wat voor over hebben want het gaat wel ten koste van de levensduur!
De levensduur van NiMH is helaas korter dan van NiCad. Op de juiste manier behandeld kan een NiCad cel tot wel 1000 keer geladen en ontladen worden. De eerste NiMH kwamen niet verder dan 200 tot 300 keer. Doordat de ontwikkelingen ook hier niet stil staan kunnen de moderne cellen al zeker 500 keer geladen en ontladen worden. Waarschijnlijk zal dat ook nog wel meer worden.
Denk er wel aan dat die levensduur door ons modelbouwers vrijwel nooit zal worden gehaald. Doordat wij meestal veel sneller laden en ontladen zal die levensduur duidelijk minder zijn. Mensen die hun cellen echt “mishandelen” zullen hun cellen soms al weg moeten doen als ze maar net 50 keer geladen en ontladen zijn. Dit is natuurlijk een uiterste maar het komt wel degelijk voor.

Tot zover dit (toch wel) vreselijk lange verhaal over de NiMH cellen. Als ik nog wat vergeten ben dan laten jullie mij dat wel weten hoop ik.

Ernst Grundmann
.

Naar elektronica                Naar hoofd pagina