Nikkel-metallhüdriidaku

Nikkel-metallhüdriidaku ehk lühemalt NiMH-aku on aku, mille positiivne elektrood on nikkelhüdroksiidist ja negatiivne elektrood vesinikku sisaldavast metallhüdriidist. Elektroode eraldab elektrolüüdina toimiva kaaliumhüdroksiidiga immutatud separaator. NiMH-aku on nikkelkaadmiumaku (NiCd-aku) edasiarendus, milles metallhüdriid asendab mürgist kaadmiumi. NiMH-aku mahutavus on kaks kuni kolm korda suurem kui niisama suurel NiCd-akul ja energiatihedus võrreldav liitiumioonaku omaga. NiMH-aku puuduseks on kiire isetühjenemine: ka kasutamatult väheneb aku laeng kuni 1% päevas. 2005. aastal leiutati aeglase isetühjenemisega LSD-NiMH-aku, mis võib püsida laetuna aasta ja uuemad teisendid kauemgi. Esimesed tarbijaklassi NiMH-akud AA- ja AAA-suuruses jõudsid turule 1989. aastal. See oli rohkem kui paarikümneaastase uurimus- ja arendustöö tulemus, mille käigus töötati välja ökonoomsed vesinikku siduvad metalliühendid. Positiivse elektroodi väljaarendamisega tegelev doktor Masahiko Oshitani GS Yuassa firmast oli esimene, kes töötas välja uut tüüpi elektroodi, mille üks koostisosa on pasta. Selline positiivne elektrood ja kõrge energiaga hüdriidühendist negatiivne elektrood võimaldasidki luua keskkonnasõbraliku ja kõrgenergeetilise NiMH-akutüübi. Negatiivsel elektroodil toimuvaid reaktsioone kirjeldab võrrand (laadimisel vasakult paremale, tühjendamisel paremalt vasakule): H2O + M + e‒ ↔ OH‒ + MH. Negatiivse elektroodi aktiivaineks olevat vesinikku H siduv metall M koosneb tegelikult mitme metalli ühendist. Positiivsel elektroodil moodustub laadimisel nikkelhüdroksiidist Ni(OH)2 nikkeloksühüdroksiid NiO(OH): Ni(OH)2 + OH- → NiO(OH) + H2O + e‒ Aku laadimisel redutseeruvad H+-ioonid (prootonid) negatiivsel elektroodil vesinikuks, mis on pöörduvalt metalliühendiga seotud ja salvestatakse metallhüdriidina. Nimipinge 1,25 V; kohe täislaadimise järel 1,4 V. Tühjendamise kestel püsib pinge 1,2 voldi tasemel ja langeb tühjaks saamisel järsult. Tühjendamise lõpp-pinge 1,0‒1,1 V; edasine koormamine võib aku rikkuda. Energiatihedus ehk erienergia 60‒120 Wh/kg, vastavalt 140‒300 Wh/dm2; erivõimsus 250‒1000 W/kg. Nimimahutavus AA-suurusel elemendil kuni 3100 mAh, AAA ‒ kuni 1500 mAh. Laadimis-tühjendustsüklite arv 500‒1000. Laadimise kasutegur 66%. Kasutatav temperatuurivahemikus ‒40 ... +55 °C. NiMH-aku laadimine toimub pingevahemikus 1,4–1,6 V. Kiirlaadimise korral on soovitatav kasutada tarka akulaadijat, et vältida ülelaadimist, mis võib elemente kahjustada ja võib olla isegi ohtlik. Niisugustes laadimisseadmetes rakendatakse üldiselt impulssvooluga laadimismeetodit. NiCd-akude püsiva vooluga laadijad ei sobi NiMH-akude kiirlaadimiseks. Kõige lihtsam ja ohutum on NiMH-akut laadida ühtlase nõrga vooluga, mille arvväärtus amprites ei ületa 0,1C, kus C on aku mahutavus ampertundides. Näiteks kui AA-aku mahutavus on 3 ampertundi (3000 mAh), siis võib aeglase laadimise vool olla kuni 0,3 A (300 mA). Laadimise 66-protsendist tõhusust arvestades kestab täislaadimine siis 15 tundi ja mõnetunnine ülelaadimine pole akule ohtlik. Panasonicu NiMH-laadija juhend hoiatab, et liiga pikk ülelaadimine võib akut kahjustada ja soovitab akusid laadida mitte kauem kui 20 tundi. Akut võib kasutada ka pideva järellaadimise režiimis, kuid siis ei või laadimisvool olla tugevam kui 0,03 C. Mõned laadijad teevad järellaadimist pärast tavalaadimise lõppu, selleks et kompenseerida akupatarei isetühjenemist. Selleks et NiMH-elemente kiiremini laadida, peab laadija teadma, millal tuleb laadimine lõpetada, sest ainult siis välditakse akupatarei kahjustumist. Üks variant on aku pinge jälgimine kogu laadimise aja vältel, kusjuures laadimisvool hoitakse püsiv. Laadija reageerib sellele, kui aku pinge täislaadimise lõpul pisut langeb (laadimise eripära) ning peatab laadimise. Seda meetodit kasutatakse tihti NiCd-akude kiirlaadijates. NiMH-akude puhul on selline pingelangus ΔV laadimise lõpus umbes 5–10 mV ainult tugeva laadimisvoolu (1C) juures. Nõrgema laadimisvoolu korral võib pingelangus olla eristamatu, mis teeb selle laadimisviisi NiMH-akude kiirlaadimisel ebakindlaks. Teine võimalus on jälgida pingemuutust ajas ja peatada laadimine, kui pinge muutumise kiirus nulliks muutub; sel juhul on siiski võimalik laadimise liiga varajane lõpetamine. ΔT-meetodi puhul reageerib laadija aku temperatuuri tõusule. Laadimisel muundub elektrienergia keemiliseks energiaks. Kui laadimise lõpul elektrokeemiline protsess lakkab, eraldub laadimisenegia soojusena, mis tõstab aku temperatuuri. Temperatuuri muutumise kiirust jälgib termistoriga andur. Nii Panasonic kui ka Duracell soovitavad maksimaalseks muutumiskiiruseks 1 °C minutis. Temperatuuriandur võimaldab laadimise peatada ka juhul, kui elemendi temperatuur ületab lubatud normi ( Duracelli laadijail 60 °C). NiMH-element sisaldab gaasi rõhu alandamiseks katalüsaatorit, mille vahendusel ülelaadimisel eralduv vesinik muutub veeks (2H2 + O2 ---katalüsaator→ 2H2O). Kuid see toimib ainult laadimisel nõrga vooluga ‒ kuni 0,1C (elektrimahutavus jagatud 10-ga). Tugevama laadimisvoolu korral kuumeneb aku laadimisprotsessi lõppedes märgatavalt. Ülikiirelt laaditavates akudes rakendatakse elemendisisest laadimise kontrollerit, mis katkestab laadimise ülerõhu korral. NiMH-aku ülelaadimisel võib eralduv vesinik elemendi purustada. Selle vältimiseks on elementidel kaitseventiil, mille kaudu vesinik väljub. Elemendi kasutamise algul langeb selle pinge kiirelt 1,25 voldile ja jääb siis peaaegu konstantselt 1,2 voldile, kuni element on 80% ulatuses tühjenenud. Tühjendamise lõpul, kui elemendi pinge on langenud 0,9‒1,0 voldini, tunnistavad enamik tarviteid elemendi tühjaks ja katkestavad voolu tarbimise. NiMH-elemendid tagavad konstantsema pinge kui standardsed leeliselemendid, mille pinge langeb ühtlaselt tühjenemise käigus. Elemendi täieliku tühjenemise tagajärjeks võib olla polaarsuse vahetumine, mis teeb elemendile pöördumatut kahju. See võib juhtuda näiteks patareis, kus üks neljast AA-elemendist tühjeneb täielikult teistest varem; siis need teised elemendid hakkavad andma tühjale elemendile energiat vastassuunas, mis võib selle elemendi kasutuskõlbmatuks muuta. Kallimad patareitoitega elektritarvitid (kaamerad, GPS-seadmed) saavad aru täielikult tühjadest elementidest ja lülitavad end välja. NiMH-elementidel on isetühjenemise kiirus suurem kui NiCd-elementidel. Tühjenemine on 5–10% esimesel laadimisjärgsel päeval ja stabiliseerub edaspidi tasemel 0,5 ‒ 1% päeva kohta (seda toatemperatuuril, ümbrustemperatuuri tõustes kiireneb isetühjenemine veelgi). Seetõttu pole nad sobivad kasutamiseks väikese voolutarbega seadmeis, näiteks kellad, juhtpuldid, turvasüsteemid, kus patarei tööeaks eeldatakse mitu kuud või aastat  Pikemalt artiklis LSD-NiMH-aku 2005. aastal tutvustati uut tüüpi NiMH-elementi, mille isetühjenemine toimub märksa aeglasemalt ja selle tulemusena on tema eluiga tunduvalt pikem. Niisugune element isetühjeneb kohe pärast laadimist esimese kuue kuu jooksul kuni 10%, aga edasi kõigest 5% aastas. Seetõttu saab neid turustada laetult ja kasutada ka nõrga voolutarbega seadmeis pikka aega ilma laadimise vajaduseta. Kui välja arvata pikem eluiga, on nad väga sarnased tavalistele NiMH-akudele ja neid võib laadida tüüpilistes NiMH- laadijates. NiMH-elemente toodetakse peamiselt AA- ja AAA-suurutes. C- ja D-suuruses elemendid on küll olemas, aga tavaliselt on need AA-elemendid (mahutavusega 2500 ‒ 3000 mAh), mis on peidetud C- ja D-elemendi kesta sisse. Originaalsed C- ja D-suuruses akupatareid on kallid ja nende laadijaid on raske leida; C-suuruses elemendi mahutavus on vähemalt 5000 mAh ning D-suurusel 10 000 mAh. 9-voldised NiMH-akupatareid on samuti olemas, nende tavaline väljundpinge on 8,4 V (1,2×7 elementi) ja nende mahutavus on umbes 200 mAh. Toodetakse ka akupatareid, mille nimipinge on 9,6 V (1,2×8). NiMH-elementide pinge ja mahutavus on enam-vähem samad mis vastavastel leeliselementidel, nii et enamasti on nad omavahel asendatavad. Kuigi leeliselemendid annavad tühjendamise algul pinget 1,5 volti ja NiMH-akud 1,25 volti, siis tühjenemise käigus langeb leeliselemendi pinge samale tasemele NiMH omaga. NiMH-elemendid on eriti kohased tugevat voolu vajavates tarvitites, nagu näiteks mänguasjad või videomängupuldid, sest neil on väike sisetakistus (AA-elemendil umbes 0,05 Ω). Näiteks leeliselement, mille mahutavus võiks väikese voolutarbe korral (nt 200 mA) olla umbes 3000 mAh, suudab 1000 mA juures anda vaid 700 mAh. NiMH-elemente kasutatakse tihti ka kaamerates ja teistes suure energiatarbimisega seadmetes. Videokaamerad ja taskulambid võivad tarbida üle 1000 mA, mis tühjendab leelispatareid väga kiirelt. NiMH-elemendid saavad sellise koormusega hõlpsasti hakkama ning seejuures säilitavad oma mahutavuse täielikult. Liitium-ioonakudel on suurem erivõimsus kui nikkel-metallhüdriidakudel, aga nad on tunduvalt kallimad. NiMH-akude kasutamise näiteid: Taskulambid Mänguasjad Audio-, video- ja fotoseadmed Juhtmeta telefonid GPS-seadmed Turvaseadmed Avariivalgustus Elektritööriistad Hübriidautod ja elektriautod. Näiteks auto Toyota Prius akupatarei koosneb 228 jadaühenduses NiMH-elemendist, igaüks mahutavusega 6,5 Ah. Keemiline vooluallikas Elektriakumulaator LSD-NiMH-aku Charge methods for NiMH batteries Battery University: Umfangreiche Informationen zum Aufbau und Pflege von Akkumulatoren (von Isidor Buchmann) Typischer Spannungsverlauf: NiMH-akkus im Direktvergleich mit Alkaline-, Kohle- Zink-, Lithium-1,5V-Primärbatterien Energiereserve – Nickelmetallhydrid-akkus mit reduzierter Selbstentladung – Artikel von Jürgen Rink 2007