Alkalibatterie Regenerierung
Einleitung
Kinderspielzeug verschlingt heutzutage Unmengen an Batterieleistung. Das geht schnell einmal
an den Geldbeutel - besonders bei Alkalibatterien. Diese halten zwar wesentlich länger
als die herkömmlichen Zinkkohlebatterien, sie haben aber auch ihren Preis.
Akkus vs Batterien
Als Alternative werden wiederaufladbare Akkus auf dem Markt angeboten. Sie sollen aufgrund der
angegebenen Anzahl Ladezyklen - gem. Hersteller bis zu 500 mal und mehr - eine viel preiswertere
und ergonomischere Lösung zur herkömmlichen Batterie darstellen.
Heute sind vor allem Nickel-Cadmium (NiCd) und Nickel-Matallhybrid (NiMH) Akku Rundzellen verbreitet,
da diese sich leicht anstelle von Batterien einsetzen lassen. Doch Akkus sind um Faktoren teurer als
Alkalibatterien und durchleben oft nur einen Bruchteil der angegebenen Lebenszeit (Aufladezyklen),
da sie nicht mit der entsprechenden Sorgfalt behandelt werden (Memory-Effekt). Doch dies ist ein
anderes Thema, auf das hier nicht näher eingegangen wird. Wer mehr dazu wissen will, findet
am Schluss einige weiterführende Links.
Ein anderes Problem kann die Akkuspannung darstellen. Diese liegt nominal bei 1.2V gegenüber
der Batterie mit 1.5V. Einige Geräte und auch Spielzeug funktionieren deshalb nicht oder nur
auf kurze Dauer beim Versuch, die Batterien durch Akkus zu ersetzen.
Aber das eigentliche Problem ist doch, dass genau in dem Moment, wo das Gerät oder Spielzeug
dringend benötigt würde, dieses aufgrund entladener Akkus nicht einsatzfähig
ist. Bei mir ist dies immer mit der Digital-Camera der Fall. Diese verwendet zwar Lithium-Ionen
Akkus (Li-Ion). Aber sowohl Li-Ion als auch Ni-Cd und Ni-MH Akkus zeigen diesen Effekt; sie alle
entladen sich von selbst - auch wenn sie nicht gebraucht werden. Diese sog. Selbstentladung tritt
bei Batterien nicht auf, oder in sehr geringem Masse. Daher können Batterien lange
gelagert werden, ohne wesentlich an Ladung zu verlieren.
Der hohe Preis und die oben erwähnten Nachteile von Akkus bewegen viele wieder, auf die
Batterien zurückzugreifen, da sie halt doch praktischer, preiswerter und einfacher zu
handhaben sind.
Wiederverwenden statt wegwerfen
Viele Batterien landen allzufrüh in der Mülltonne, weil sie besonders in komplexeren
Elektronikgeräten wie z.B. Digital-Camera, CD-Player, Walkman, Gameboy, Ghettoblaster,
Walky-Talky, etc. bereits nach kurzer Einsatzdauer den Geist aufgeben oder nicht mehr voll
funktionstüchtig sind. Das muss nicht sein, denn die Batterien wären durchaus noch
über eine längere Zeit in anderen Geräten weiter einsetzbar. So z.B. in
Taschenradios, Taschenlampen, TV/Video-Fernbedienungen, Digital-Wecker/Uhren, mechanischem
Spielzeug (Autos, Lokomotiven, Puppen), etc. Diese Geräte funktionieren teilweise
auch mit Batteriespannungen von weniger als 1V noch einwandfrei. Besonders sog. Küchenuhren,
welche mit einer AA oder AAA Rundzelle betrieben werden, funktionieren aufgrund ihres sehr geringen
Leistungsbedarfs noch über Monate ja sogar Jahre hinweg! Aber auch für die
leistungshungrigen Batterieverbraucher gäbe es eine Alternative;
die Alkalibatterie Regenerierung. Mehr dazu im nächsten Abschnitt.
Ist die Batterie endgültig nicht mehr zu gebrauchen, dann bitte sachgerecht entsorgen.
Gemäss der heutigen Gesetzgebung müssen Batterien der Verkaufsstelle
oder einer anderen Sammelstelle zurückgebracht werden.
Was uns die Industrie verschweigt!
Der Konsument wird von den Batterieherstellern aufgrund von Aussagen und Aufschriften, z.B.
auf Alkalibatterien mit dem Vermerk
ACHTUNG: Nicht wiederaufladbar!
oder noch besser mit dem Zusatz
Explosionsgefahr!
wohl absichtlich hinter's Licht geführt, denn sie sind schlicht falsch!
Richtig ist:
- Alkalibatterien lassen sich durchaus ein paar mal entgegen dieser Behauptungen
wiederaufladen bzw. regenerieren.
- Alkalibatterien können nicht explodieren, wohl aber andere Batterie- und
Akku-Typen, besonders bei unsachgemässer Behandlung.
Eine wissenschaftliche Abhandlung von Dr Rolf Zinniker (ETH Zürich) findet der
interessierte Leser unter
Zinnikers Batterie und Akku Seiten
Regenerierung von Alkalibatterien
! ACHTUNG !
Die hier beschriebene Anleitung gilt ausdrücklich nur für Alkalibatterien.
Versuchen Sie damit nicht andere Batterien z.B. Zinkkohlebatterien
oder Akkus (NiCd oder NiMH) und besonders nicht Li-Ion Akkus zu laden.
Bei letzteren besteht tatsächlich eine Explosionsgefahr!
Verwenden Sie hier nur Batterien mit der Aufschrift Alkaline
Voraussetzungen
Um Alkalibatterien erfolgreich zu regenerieren, ist folgendes zu beachten:
- Die Alkalibatterie sollte nur teilentladen sein - Batteriespannung >= 1.2V
- Tiefentladene Alkalibatterien < 1.0V lassen sich nicht mehr regenerieren
- Der Innenwiderstand der Alkalibatterie sollte < 5 Ohm betragen
- Zur Regeneration der Alkalibatterie wird ein spezielles Ladegerät benötigt
- Eine Alkalibatterie kann maximal 3 - 10 mal regeneriert werden - je nach Marke
- Die Ladekapazität nimmt mit jeder Regeneration weiter ab
Bestimmung des Innenwiderstands
Gemäss obigem Ersatzschaltbild kann der Innenwiderstand der Alkalibatterie wie folgt
bestimmt werden:
- Mit einem Digital-Voltmeter oder -Batterietester die Leerlaufspannung (ohne Lastwiderstand RL)
der Alkalibatterie möglichst genau messen (Beispiel: Uo = 1.34V)
- Lastwiderstand an Plus(+) und Minus(-) Pole der Alkalibatterie anschliessen (Beipsiel: RL = 47 Ohm)
- Mit angeschlossenem Lastwiderstand (RL) erneut die Alkalibatteriespannung messen
(Beispiel: UL = 1.25V)
- Innenwiderstand gem. obiger Formel berechnen (Beispiel: Ri = 47 Ohm * (1.34V - 1.25V) / 1.25V)
-> Ri = 3.384 Ohm)
Merkmale brandneuer Alkalibatterien
| Typ: | Uo: | Ri | Ladung (mAh) | in Wh | in J (Joules) |
| AAA, LR03, AM4 | 1.6 - 1.65V | < 0.5 Ohm | 1150 | 1.41 | 5071 |
| AA, LR06, AM3 | 1.6 - 1.65V | < 0.25 Ohm | 2122 | 2.6 | 9360 |
| C, LR14, AM2 | 1.6 - 1.65V | < 0.15 Ohm | 7800 | 9.56 | 34398 |
| D, LR20, AM1 | 1.6 - 1.65V | < 0.07 Ohm | 17000 | 20.83 | 74970 |
Ladegerät für Alkalibatterie Regenerierung
Bei der Ladung/Regenerierung von Alkalibatterien sind folgende Punkte zu beachten:
- Die Ladespannung darf 1.7V nicht überschreiten, da die Alkalibatterie ansonsten irreparable
Schäden durch den damit verbunden chemischen Prozess und einsetzende Oxidation erfährt.
- Der Ladestrom sollte moderat sein (ca. 20mA - 80mA, max 100mA). Bei zu hohem Ladestrom entsteht
im Innern der Alkalibatterie ein zu hoher Druck infolge des beschleunigten chemischen
Umformungsprozess, der zum Platzen der Überdruckmembran am Minuspol der Alkalibatterie
und damit zum Auslaufen des im Innern der Alkalibatterie befindlichen Elektrolyts führt.
Die Folge davon ist keine Explosion, aber die bekannte Schweinerei verursacht durch die auslaufende
Batteriesäure.
- Der Ladeprozess sollte bei Erreichen der Endspannung 1.65V (max 1.7V) angehalten werden. Weiteres
Laden danach erhöht die Kapazität nicht weiter, sondern verkürzt nur die Lebenszeit
der Alkalibatterie infolge Überladung.
- Auf keinen Fall versuchen Alkalibatterien mit Lade-Geräten speziell Schnelllader für
NiCd- oder NiMH-Akkus aufzuladen. Die Ladeströme sind zu hoch und führen in kurzer Zeit
zum "Kochen" der Alkalibatterien. Die Folge davon? richtig: keine Explosion, aber eine Schweinerei.
Also, zur Ladung/Regenerierung von Alkalibatterien ist ein dafür speziell geeignetes Ladegerät
erforderlich. Leider gibt es auf dem Markt nur ganz wenige Ladegeräte zur Regenerierung von
Alkalibatterien und von diesen wenigen Modellen sind gem. Testberichten nur ein oder zwei Typen wirklich
brauchbar. Zudem sind diese wesentlich teurer als die bekannten NiCd oder NiMH Akku Ladegeräte.
Eigentlich sollte es aber nicht allzu schwer sein, ein Ladegerät zu entwerfen, welches nicht
gerade das Haushaltbudget einer Schweizer Kleinfamilie und/oder die Alkaliebatterie sprengt.
Prototyp und Schema zum Nachbau
Die Anforderungen für den Prototyp waren:
- Einfache Schaltung mit handelsüblichen Komponenten
- Endladespannung muss auf max 1.7V begrenzbar sein, wobei der Grenzwert nicht
überschritten werden soll
- Ladestrom soll im Bereich 50mA ... 100mA liegen und bei Erreichen der Endladespannung
auf Null gehen (Ladestop)
- Wenn möglich soll anstelle eines konstanten Ladestroms ein gepulster Ladestrom
auf die Alkalibatterie angewendet werden. Gem. Studien wirkt sich dies positiv auf den
chemischen Prozess aus womit eine höhere Leistung sowie Endkapazität erreicht wird.
- Wenn möglich soll die Leerlaufspannung Uo der Alkalibatterie zur Grenzwertbestimmung
herangezogen bzw. gemessen werden und nicht die Ladespannung, da wegen Ri > 0 die Ladespannung
an der Alkalibatterie infolge des Ladestromes höher ist als Uo, und somit nicht die
optimale bzw. maximal zulässige Endladespannung erreicht würde.
- Die Schaltung sollte eine Betriebsanzeige enthalten (Ein/Aus, Laden, Lade-Ende)
- Die Schaltung sollte mit möglichst tiefer Spannung arbeiten (ca. 2.5-3V), um die Verlustleistung
klein zu halten, und damit evtl. anstelle eines Netzadapters eine Solarzelle zum Laden der
Alkalibatterien eingesetzt werden kann.
Gedacht getan. Nach ein paar Versuchen und Tests war der Prototyp bereits an einem Abend entwickelt:
Funktionsweise
Die Elektroniker unter uns erkennen sofort das Funktionsprinzip dieser simplen Schaltung. Es handelt
sich um den klassischen "astabilen bzw. bistabilen Multivibrator". T1 und T2 schalten dabei abwechslungsweise hin und
her. Immer wenn T1 leitet, leuchtet (blinkt) die D1 (rote LED) und wenn T2 leitet, fliesst kurzfristig
der Ladestrom in die Alkalibatterie. In der zyklischen Phase in der T1 leitet und T2 sperrt, wird die
Leerlaufspannung Uo der Alkalibatterie mit T3 gemessen. Sobald diese den Wert von 1.65 - 1.7V erreicht
(einstellbar mit Potentiometer P1), beginnt T3 zu leiten und verhindert das Kippen auf T2. Damit bleibt
T1 leitend und durch T2 fliesst kein Ladestrom mehr. Die Schaltung beendet also das Laden automatisch,
sobald die Leerlaufspannung der Alkalibatterie die Endladespannung erreicht hat.
Einstellung
Die Trimmung (Einstellung der optimalen Endladespannung) ist sehr einfach:
- Eine gute neue Alkalibatterie einsetzten. Diese sollte eine
Leerlaufspannung von min 1.6 - 1.65V aufweisen.
- Das Potentiometer P1 zuerst gegen Null drehen. Die rote LED sollte nun blinken.
Dann das Potentiometer P1 langsam gegendrehen bis das Blinken der LED gerade aufhört.
- Fertig ist die Trimmung.
Betrieb
Zum Betrieb der Alkalibatterie Lade- bzw. Regenerierungs-Schaltung:
- Eine Spannungsquelle mit ca. 3V/100mA (z.B. Netzadapter von einem Walkman o.ä. oder ein
Solar-Panel mit z.B. 8 x 0.4V/100mA Sonnenzellen) an den Eingang der Schaltung anschliessen.
- Die rote LED leuchtet konstant, wenn noch keine Alkalibatterie eingelegt ist.
- Zu ladende Alkalibatterie einlegen bzw. am Ausgang der Schaltung anschliessen. Die rote LED
blinkt (umso rascher je tiefer die Alkalibatterie entladen war) und singalisiert damit den
gepulsten Ladevorgang.
- Sobald die Alkalibatterie ihre Endladespannung erreicht, blinkt die LED immer langsamer bis
sie schliesslich dauernd leuchtet. Der Ladevorgang ist abgeschlossen.
- Alkalibatterie herausnehmen und Netzadapter bzw. Solar-Panel abkoppeln.
Hinweise
Hier noch einige Tips aus Erfahrung:
- Es sollten nur teilentladene Alkalibatterien regeneriert werden. Die Leerlaufspannung
der Alkalibatterie sollte min. 1.2V oder mehr betragen. Der Versuch, eine tiefer entladene
Alkalibatterie zu laden, wird in den meisten Fällen fehlschlagen.
- Tiefentladene Alkalibatterien - besonders wenn die Leerlaufspannung unter 1V liegt - sind
nicht mehr regenerierbar und sollten entsorgt werden.
- Es kann immer vorkommen, dass die Regenerierung einer Alkalibatterie nicht gelingt, z.B. wenn
diese schon zu tief entladen war, zu alt, oder bereits schon ein oder mehrere male zuvor
regeneriert wurde (zu hoher Innenwiderstand). Die Endladespannung wird nie erreicht und
die Lade- bzw. Regenerierungs-Schaltung kommt auch nach mehreren Stunden nicht zum Stillstand
(LED blinkt immer weiter, wenn auch etwas langsamer). In diesem Fall sollte nicht
mehr versucht werden, die Alkalibatterie weiterzuladen (Auslaufgefahr). Besser ist es, die
Alkalibatterie zu entfernen und entsorgen.
- Regenerierte Alkalibatterien tendieren eher zum Auslaufen, und sollten nicht mehr in teure
oder wertvolle Geräte eingesetzt werden, besonders solche, die zudem noch viel Leistung
benötigen. Regenerierte Alkalibatterien können in weniger komplexen Geräten
aber durchaus noch lange ihren Dienst verrichten.
Erfahrungen und Fazit
Die Schaltung ist nun schon seit geraumer Zeit regelmässig im Einsatz und hat sich bestens
bewährt. Durch den schonenden Ladevorgang (gepulster und moderater Ladestrom) kommt es kaum
zum Lauslaufen der Alkalibatterien (obwohl dies hi und da schon mal geschehen kann). Es hat sich
gezeigt, dass einige Marken besser regeneriert werden können und andere eher mal zum Auslaufen
neigen (interessanterweise eher die angeblichen Top-Shots auf dem Markt). Allzuviel darf jedoch von
dieser Regeneration nicht erwartet werden. Bei jedem Aufladezyklus verliert die Alkalibatterie
unweigerlich an chemischer Substanz und damit an Ladekapazität.
Dennoch kann das Leben einer Alkalibatterie so wesentlich verlängert werden. Die Umwelt dankt ;-)
Links zu weiteren Informationen
zurück zur Bastelecke