Alkaline-Batterien werden allgemein als Einweg-Energiequellen betrachtet, doch die Möglichkeit, sie unter bestimmten Bedingungen wieder aufzuladen, hat mit seit Jahren fasziniert. Obwohl sie ursprünglich nicht für das Wiederaufladen konzipiert wurden, können die elektrochemischen Reaktionen in Alkaline-Batterien teilweise rückgängig gemacht werden, sodass ein Teil ihrer Kapazität wiederhergestellt werden kann. Dies wirft wichtige Fragen zur Machbarkeit, zu den Grenzen und zu den potenziellen Anwendungen des Wiederaufladens von Alkaline-Batterien auf.

Diese Untersuchung zielt darauf ab, diese Fragen systematisch zu untersuchen, indem der Wiederaufladevorgang detailliert analysiert wird. Zunächst wird die wissenschaftliche Grundlage erläutert, die erklärt, warum ein Wiederaufladen grundsätzlich möglich ist. Dabei werden die zugrunde liegenden elektrochemischen Mechanismen sowie weit verbreitete Irrtümer thematisiert. Diese theoretische Grundlage dient als Kontext für die anschließenden experimentellen Untersuchungen, die entscheidende Faktoren wie Kapazitätserhalt, Innenwiderstand, den Peukert-Effekt und die Spannungsstabilität über mehrere Lade- und Entladezyklen hinweg analysieren. Durch die Simulation praxisnaher Anwendungen wird die Alltagstauglichkeit wiederaufgeladener Alkaline-Batterien sowohl in Niedrigstrom- als auch in Hochstromanwendungen getestet. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sollen die mit dem Wiederaufladen verbundenen Kompromisse verdeutlichen und wertvolle Erkenntnisse für uns Wissenschaftler liefern. Durch ein besseres Verständnis der chemischen und physikalischen Veränderungen während des Wiederaufladevorgangs lassen sich die Bedingungen genauer definieren, unter denen wiederaufgeladene Alkaline-Batterien eine kosteneffiziente und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Einwegbatterien darstellen können.

Grundlagen der Alkaline-Batteriechemie

Alkaline-Batterien basieren auf einer chemischen Reaktion zwischen Zink und Mangandioxid, wobei ein alkalisches Elektrolyt, meist Kaliumhydroxid, als leitfähiges Medium dient. Im Gegensatz zu wiederaufladbaren Batterien wie Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder Lithium-Ionen-Zellen ist diese Reaktion grundsätzlich nicht reversibel. Durch eine sorgfältige Steuerung des Wiederaufladevorgangs können jedoch bestimmte Reaktionsprodukte in ihre ursprüngliche Form zurückgeführt werden, wodurch ein Teil der Kapazität wiederhergestellt werden kann.

Um zu verstehen, warum das Wiederaufladen von Alkaline-Batterien eine Herausforderung darstellt, müssen die chemischen Reaktionen betrachtet werden, die während der Entladung und des Aufladens ablaufen.

Entladung: Freisetzung von Energie

Während der Entladung laufen folgende chemische Reaktionen ab:

An der Anode (negative Elektrode):
Zink (Zn) reagiert mit Hydroxidionen (OH⁻) aus dem Elektrolyt und bildet Zinkoxid (ZnO), wobei Elektronen freigesetzt werden:

Zn (s) + 2OH−→ ZnO (s) + H2​O (l) + 2e−

  • An der Kathode (positive Elekrode):
    Mangandioxid (MnO2) wird reduziert, indem es Elektronen aufnimmt und mit Wasser unter Bildung von Manganhydroxid (MnOOH) reagiert:

2MnO2 ​(s) + H2​O (l) + 2e−→ 2MnOOH (s)

Diese Reaktionen erzeugen einen elektrischen Strom, der Ihre Geräte mit Energie versorgt.

Wiederaufladung: Partielle Umkehrung

Beim Wiederaufladen besteht das Ziel darin, die chemischen Prozesse umzukehren, um die ursprünglichen Reaktanten zu regenerieren, was jedoch aufgrund von Nebenreaktionen und der Irreversibilität einiger Schritte nur teilweise gelingt.

  • An der Anode (negative Elektrode):
    Zinkoxid (ZnO) wird wieder zu metallischem Zink (Zn) reduziert:

ZnO (s) + H2​O (l) + 2e−→ Zn (s) + 2OH−

  • An der Kathode (positive Elektrode):
    Manganoxyhydroxid (MnOOH) wird zu Mangandioxid (MnO₂) oxidiert:

2MnOOH (s) → 2MnO2​ (s) + H2​O (l) + 2e−

Herausforderungen beim Wiederaufladen von Alkaline-Batterien

Irreversibilität: Ein Teil des Zinks und des Mangandioxids daurchlaufen während der Entladung irreversible Nebenreaktionen, die zur Bildung unlöslicher Verbindungen führen. Diese können beim Wiederaufladen nicht zurückgebildet werden, was die langfristige Kapazität der Batterie einschränkt.

Gasbildung: Während des Ladevorgangs kann Wasser im Elektrolyten in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerfallen, was zu einem Gasdruckaufbau innerhalb der Batterie führt. Dieser kann im schlimmsten Fall ein Auslaufen oder sogar das Aufplatzen der Zelle verursachen.

Wärmeentwicklung: Der Innenwiderstand der Batterie führt dazu, dass sich während des Ladevorgangs Wärme bildet. Dies beschleunigt unerwünschte Nebenreaktionen und kann die Batterie langfristig schädigen.

Technische Aspekte des Wiederaufladens von Alkaline-Batterien

Das Wiederaufladen von Alkaline-Batterien erfordert eine präzise gesteuerten, niedrigen Ladestrom. Entscheidend ist es, die Wärmeentwicklung und die Gasbildung zu minimieren, da diese zu Undichtigkeiten oder sogar zur Zerstörung der Batterie führen können. Viele kommerzielle Ladegeräte für Alkaline-Batterien werben mit gepulstem Ladestrom, um Überhitzung zu vermeiden und die Batterielebensdauer zu verlängern. Tatsächlich ist dieser Effekt jedoch eher ein Marketingargument, da Alkaline-Batterien chemisch nicht signifikant auf gepulste Ströme reagieren. In der Praxis reicht eine stabile, geregelte Gleichstromquelle mit geeigneten Spannungs- und Stromeinstellungen aus, um ein sicheres und effektives Wiederaufladen zu ermöglichen.

Ladestrom und Ladespannung: Der Ladestrom sollte unter 300 mA pro Zelle liegen, während die Ladespannung leicht über der Nennspannung von 1,5 V liegen muss, um die chemische Reaktion umzukehren. Die Ladeschlussspannung beträgt 1,65 V.

Temperaturkontrolle: Übermäßige Wärme beschleunigt Nebenreaktionen und verringert sowohl die Sicherheit als auch die Lebensdauer der Batterie.

Teilweises Wiederaufladen: Alkaline-Batterien können typischerweise nur 60-80 % ihrer ursprünglichen Kapazität zurückgewinnen. Zudem nimmt die Kapazität mit jedem Ladezyklus weiter ab.

Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Wiederaufladen von Alkaline-Batterien

Das Wiederaufladen von Alkaline-Batterien erfordert sorgfältiges Vorgehen, um die Sicherheit zu gewährleisten und die Batterie nicht zu beschädigen. Die folgenden Schritte beschreiben eine kontrollierte Ladeprozedur:

Benötigte Materialien

  • Eine stabilisierte Gleichspannungsquelle mit einstellbarem Strom.
  • Eine hitzebeständige Oberfläche als Ladebereich.
  • Eine feuerbeständige Schale, um mögliche Lecks aufzufangen.

Schritt 1: Überprüfung der Batterie

  • Visuelle Inspektion: Prüfen Sie die Batterie auf Korrosion, Undichtigkeiten oder physische Schäden. Beschädigte Batterien dürfen nicht wieder aufgeladen werden.
  • Spannungsmessung: Mit einem Multimeter die Restspannung prüfen. Alkaline-Batterien mit einer Spannung unter 1,0 V sind meist zu stark entladen, um noch effizient aufgeladen zu werden. Ein laden ist aber dennoch möglich. (Detaillierte Ergebnisse dazu finden sich im experimentellen Teil dieser Arbeit.)

Schritt 2: Vorbereitung des Ladeprozesses

  • Spannungseinstellung: Die Ladespannung auf 1,65 V pro Batterie einstellen. Dies liegt leicht über der Nennspannung von 1,5 V, reicht aber aus, um die chemische Reaktion umzukehren, ohne die Batterie zu überladen.
  • Strombegrenzung: Der Ladestrom sollte für den ersten Ladevorgang auf 50 mA (AAA) bis 100 mA (AA) begrenzt werden, um die Wärmeentwicklung zu minimieren und die Gasbildung zu reduzieren.

Schritt 3: Anschließen der Batterien

  • Die Batterien in die Ladeschächte eines Ladegeräts einsetzen oder direkt mit der Gleichspannungsquelle verbinden (richtige Polarität beachten: Plus an Plus, Minus an Minus).
  • Sicherstellen, dass die Kontakte fest verbunden sind und die Batterien auf einer hitzebeständigen Oberfläche liegen, um Schäden durch mögliches Auslaufen zu vermeiden.

Schritt 4: Beginn des Ladevorgangs

  • Niedriger Ladestrom zum Start: Zunächst mit 50 mA (AAA) bzw. 100 mA (AA) für die ersten 4 Stunden beginnen, um die Zellen nicht unnötig zu belasten.
  • Spannung und Temperatur überwachen:
    • Die Batteriespannung in regelmäßigen Abständen messen. Wenn sie 1,65 V überschreitet oder die Batterie deutlich warm wird, den Ladevorgang sofort abbrechen.
    • Ein leichter Temperaturanstieg (<30 °C) ist normal, aber eine Überhitzung deutet auf potenzielle Risiken hin.

Schritt 5: Anpassung von Ladestrom und Dauer

  • Nach 4–6 Stunden: Die Batteriespannung erreicht ein Plateau bei ca. 1,55 V und steigt ohne erhöhten Ladestrom nicht weiter an.
  • Anhebung des Stroms: Falls die Batterie stabil bleibt, kann der Strom auf 125 mA (AAA) bzw. 300 mA (AA) erhöht werden, um die volle Endladespannung von 1,65 V zu erreichen.
  • Veränderung der Ladespannung mit zunehmenden Zyklen:
    • Beim zweiten Ladezyklus steigt die Spannung mit konstanten 100 mA nur noch bis 1,45 V und kann nur mit 300 mA auf 1,55 V gebracht werden.
    • Beim dritten Ladezyklus stagniert die Spannung bereits bei 1,4 V und kann selbst mit 300 mA nur noch auf 1,45 V erhöht werden.
    • Diese Entwicklung geht mit einem spürbaren Kapazitätsverlust einher.
  • Kritische Phase: Der erhöhte Ladestrom ist notwendig, um die Endladespannung von 1,65 V zu erreichen. In dieser Phase ist mit einer stärkeren Wärmeentwicklung zu rechnen. In meinen Versuchen wurden 30 °C nicht überschritten. Eine weitere Erhöhung des Ladestroms über 300 mA hinaus ist nicht sinnvoll, da der Innenwiderstand der gealterten Batterie die zusätzliche Energie primär in Abwärme umwandelt.
  • Gesamtdauer des Ladevorgangs: Abhängig vom Ladezustand kann der vollständige Ladeprozess zwischen 6 und 8 Stunden in Anspruch nehmen.

Wichtige Hinweise und Sicherheitstipps

⚠ Nicht überladen: Übermäßiges Laden kann zu Gasbildung, Undichtigkeiten oder im schlimmsten Fall zu Explosionen führen.
⚠ Laden in sicherer Umgebung: Batterien stets in einem gut belüfteten Bereich fern von brennbaren Materialien aufladen.
⚠ Begrenzte Anzahl an Ladezyklen: Alkaline-Batterien lassen sich in der Regel nur 2-3 Mal wieder aufladen, bevor ihre Leistungsfähigkeit so weit abnimmt, dass sie nicht mehr sinnvoll nutzbar sind.

Fig. 1: Charging of Alkaline batteries
Fig 2.: Thermal view during charging

Beschränkungen und Risiken

Das Aufladen von Alkalibatterien mag zwar wirtschaftlich und umweltfreundlich erscheinen, birgt aber auch erhebliche Nachteile:

  • Auslaufrisiko: Durch Gasansammlungen während des Ladevorgangs kann die Dichtung brechen, wodurch Elektrolyt ausläuft (konnte ich in meinen Versuchen nicht beobachten)).
  • Begrenzte Lebensdauer: Jede Batterie kann nur wenige Ladezyklen überstehen, bevor sie vollständig an Kapazität verliert.
  • Probleme mit der Kompatibilität: Nicht alle Alkalibatterien lassen sich gut wieder aufladen. Hochwertige Markenbatterien schneiden oft besser ab als billigere Alternativen.
  • Sicherheitsaspekte: Unsachgemäßes Aufladen, wie z. B. die Verwendung von zu viel Strom oder der Versuch, beschädigte Batterien aufzuladen, kann zu Explosionen oder Brandgefahr führen.
  • Wirtschaftlicher Wert: Der Ladevorgang dauert mehrere Stunden. Der wirtschaftliche Wert muss kritisch geprüft werden.

Eine Experimentelle Analyse der Leistung und Degradation von wiederaufgeladenen Alkaline-Batterien

Ziel dieses Experiments war es, systematisch die Leistung und den Degradationsprozess nicht wiederaufladbarer Alkaline-Batterien zu untersuchen, wenn sie wiederholten Lade- und Entladezyklen unterzogen werden. Durch die Analyse des Kapazitätserhalts, des Innenwiderstands und der Spannungsprofile unter verschiedenen Bedingungen sollten die praktischen Grenzen und potenziellen Anwendungen wiederaufgeladener Alkaline-Batterien bestimmt werden. Das experimentelle Design wurde so ausgelegt, dass sowohl Niedrigstrom- als auch Hochstromanwendungen simuliert werden, um realistische Nutzungsszenarien abzubilden. Darüber hinaus wurde die Auswirkung einer Tiefentladung auf die Batterielebensdauer untersucht, um Erkenntnisse über die chemischen Prozesse und deren praktische Implikationen zu gewinnen.

Methoden

Um die Auswirkungen wiederholter Lade- und Entladezyklen sowie unterschiedlicher Entladebedingungen auf Alkaline-Batterien zu untersuchen, wurden zwei experimentelle Ansätze verfolgt:

Lade- und Entladezyklen

  • Batterietyp: Neue AA-Alkaline-Batterien (drei Stück insgesamt).
  • Standardentladung: Die Batterien wurden mit einem konstanten Strom von 100 mA bis zu einer Abschaltspannung von 1,0 V entladen.
  • Tiefentladung: Die Batterien wurden unter denselben Strombedingungen bis zu einer Abschaltspannung von 0,5 V entladen.
  • Ladeprotokoll: Die Batterien wurden mit einer geregelten Stromquelle geladen, wobei die Spannung auf 1,65 V pro Batterie begrenzt wurde. Der Ladeprozess wurde über vier Zyklen wiederholt:
    • 1. Zyklus: Konstanter Strom von 100 mA bis 1,55 V, dann mit 300 mA bis 1,65 V
    • 2. Zyklus: Konstanter Strom von 100 mA bis 1,50 V, dann mit 300 mA bis 1,55 V
    • ab 3. Zyklus: Konstanter Strom von 100 mA bis 1,40 V, dann mit 300 mA bis 1,50 V

Variation des Entladestroms

  • Niedriger Strom: Entladung mit 100 mA, um Niedrigstromanwendungen zu simulieren (z. B. Fernbedienungen, LED-Leuchten).
  • Hoher Strom: Entladung mit 500 mA, um Hochstromanwendungen nachzubilden (z. B. motorisierte Spielzeuge).

Die Spannungs-Zeit-Kurven wurden über vier Lade-Entlade-Zyklen aufgezeichnet, um die Auswirkungen unterschiedlicher Stromstärken auf die Batterieperformance zu untersuchen.

Datenerhebung

  • Kapazitätsmessung: Die Kapazität der Batterien wurde aus der Entladezeit und dem Strom berechnet (mAh) und für jeden Zyklus erfasst.
  • Spannungsüberwachung: Spannung und Strom wurden mittels einer elektronischen Last mit einer 4-Wire-Messung ermittelt.
  • Umweltbedingungen: Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur (22 °C) durchgeführt, um externe Einflussfaktoren zu minimieren.

Ergebnisse

Um zu analysieren, wie sich wiederholte Lade- und Entladezyklen auf die Kapazität, die Entladezeit und den Innenwiderstand von Alkaline-Batterien auswirken, wurden Messungen über fünf Zyklen unter Standardentladung (1,0 V Entladeschlussspannung) und Tiefentladung (0,5 V Entladeschlussspannung) durchgeführt. Jede Messung wurde dreimal (N=3) wiederholt und die Ergebnisse gemittelt. Der Standardfehler des Mittelwerts (SEM) wurde berechnet, um die Variabilität zu quantifizieren.

Der Peukert-Effekt bei Alkaline-Batterien: Einfluss des Entladestroms auf die Kapazität

Zur Untersuchung des Leistungsverhaltens von Alkaline-Batterien bei verschiedenen Entladeströmen wurden Entladetests mit einer Abschaltspannung von 1,0 V durchgeführt. Dabei wurden die entnommene Kapazität und die Entladezeit für unterschiedliche Stromstärken erfasst.

  • 100 mA: Die Batterie erreichte nahezu ihre Nennkapazität von 2181 mAh und hielt ca. 21 Stunden und 50 Minuten durch.
  • 250 mA: Die Kapazität sank auf 1600 mAh, wodurch die Entladezeit auf etwa 7 Stunden und 49 Minuten reduziert wurde.
  • 500 mA: Die Kapazität verringerte sich weiter auf 1246 mAh, mit einer Entladezeit von 2 Stunden und 34 Minuten.
  • 1000 mA: Die nutzbare Kapazität fiel auf nur 649 mAh, mit einer stark verkürzten Entladezeit von lediglich 38 Minuten.

Der Peukert-Exponent wurde für jede dieser Entladungen berechnet, wobei 100 mA als Referenzstrom und 2181 mAh als Nennkapazität verwendet wurden:

  • 250 mA → Peukert-Exponent: 0,338
  • 500 mA → Peukert-Exponent: 0,348
  • 1000 mA → Peukert-Exponent: 0,526

Der durchschnittliche Peukert-Exponent über alle getesteten Ströme hinweg betrug ca. 0,40, was auf eine deutliche nicht-lineare Kapazitätsreduktion mit steigendem Entladestrom hinweist.

Fig. 3: The discharge current plotted against the capacity to be discharged (left y-axis) and against the discharge time (right y-axis) at a cut-off voltage of 1.0 V.

Kapazitätserhalt und Innenwiderstand über Lade-/Entladezyklen

Der Innenwiderstand einer Batterie ist ein Schlüsselparameter, der ihre Leistung, Effizienz und Langlebigkeit beeinflusst. Über mehrere Lade-/Entladezyklen hinweg nimmt der Innenwiderstand aufgrund physikalischer und chemischer Abbauprozesse innerhalb der Batterie tendenziell zu. Die experimentellen Messungen zeigten einen progressiven Anstieg des Innenwiderstands unter allen Testbedingungen. Bei 100 mA mit einer Abschaltung von 1 V stieg der anfängliche Widerstand von 239,5 mΩ über die Zyklen hinweg stetig an und erreichte beim fünften Zyklus 339,0 mΩ. Ein ähnliches Muster wurde bei 500 mA mit einer Abschaltspannung von 1 V beobachtet, wo der Widerstand von 232,3 mΩ im ersten Zyklus auf 262,7 mΩ im fünften Zyklus anstieg. Wurde die Abschaltspannung bei 500 mA auf 0,5 V gesenkt, folgte der Innenwiderstand demselben Aufwärtstrend, der bei 241,0 mΩ in Zyklus 1 begann und bis Zyklus 5 292,7 mΩ erreichte.

Fig. 4: The discharge-charge cycle is plotted against the internal resistance of the battery cell before discharging. Measured at a discharge current of 100 and 500 mA and a cut-off voltage of 1.0 V and 0.5 V. The internal resistance increases from cycle to cycle.

Spannungs-Zeit-Profile für niedrige und hohe Entladeströme

Um die Auswirkungen wiederholter Lade-/Entladezyklen auf Alkalibatterien zu bewerten, wurden Entladezeitmessungen für verschiedene Strom- und Abschaltspannungsbedingungen über fünf Zyklen aufgezeichnet. Bei 100 mA und einer Abschaltspannung von 1 V betrug die anfängliche Entladezeit 1310 Minuten, verringerte sich jedoch im zweiten Zyklus drastisch auf 423 Minuten und sank bis zum fünften Zyklus weiter auf 122 Minuten. Ein ähnlicher Trend wurde bei 500 mA mit einer Abschaltung von 1 V beobachtet, wo die anfängliche Entladungszeit 154 Minuten betrug, sich im zweiten Zyklus auf 80 Minuten verringerte und bis zum fünften Zyklus weiter auf 25 Minuten sank.

Beim Vergleich der 1-V-Abschaltung mit einer 0,5-V-Abschaltung bei 500 mA waren die Entladezeiten bei der niedrigeren Abschaltspannung durchweg höher. Der erste Zyklus dauerte 223 Minuten bei 0,5 V im Vergleich zu 154 Minuten bei 1 V, und dieser Unterschied blieb über alle Zyklen hinweg bestehen. Beim fünften Zyklus betrug die Entladezeit bei 0,5 V noch 40 Minuten, während sie bei 1 V bereits auf 25 Minuten gesunken war.

Insgesamt deuten die Ergebnisse auf einen raschen Rückgang der nutzbaren Kapazität bei wiederholten Zyklen hin, wobei niedrigere Entladeströme einen stärkeren Effekt zeigen. Die verlängerte Entladedauer bei 0,5 V lässt darauf schließen, dass eine tiefere Entladung zwar eine geringfügig höhere Kapazitätsnutzung ermöglicht, aber die langfristige Degradation der Batterie nicht verhindert.

Fig. 5: The discharge-charge cycle is plotted against the discharge time . Measured at a discharge current of 100 and 500 mA and a cut-off voltage of 1.0 V and 0.5 V.

Um die Auswirkungen wiederholter Lade-/Entladezyklen weiter zu analysieren, wurde die extrahierte Kapazität bei jedem Zyklus gemessen. Bei 100 mA mit einer Abschaltung von 1 V betrug die anfänglich extrahierte Kapazität 2181 mAh, sank jedoch im zweiten Zyklus deutlich auf 710 mAh und fiel bis zum fünften Zyklus weiter auf 205 mAh ab. Ein ähnliches Muster wurde bei 500 mA mit einem Cutoff von 1 V beobachtet, wo die Kapazität bei 1247 mAh begann, im zweiten Zyklus auf 697 mAh fiel und bis zum fünften Zyklus weiter auf 301 mAh abnahm.

Beim Vergleich der 1-V-Abschaltung mit einer 0,5-V-Abschaltung bei 500 mA war die extrahierte Kapazität bei der niedrigeren Abschaltspannung durchweg höher. Der erste Zyklus ergab 1670 mAh bei 0,5 V im Vergleich zu 1247 mAh bei 1 V, und dieser Unterschied blieb während des gesamten Tests bestehen. Beim fünften Zyklus betrug die extrahierte Kapazität bei 0,5 V noch 324 mAh, während sie bei 1 V bereits auf 301 mAh gesunken war.

Fig. 6: The discharge-charge cycle is plotted against the capacity of the battery cell . Measured at a discharge current of 100 and 500 mA and a cut-off voltage of 1.0 V and 0.5 V.

Diskussion

Der beobachtete Kapazitätsrückgang bei höheren Entladeströmen kann durch den Peukert-Effekt erklärt werden, der die Verringerung der nutzbaren Batteriekapazität bei steigender Stromaufnahme quantifiziert. Die Peukert-Gleichung beschreibt diese Beziehung, bei der die effektive Kapazität als Funktion des Entladestroms, erhöht um die Potenz des Peukert-Exponenten, abnimmt. Im Fall dieser Alkalibatterien bedeutet der Exponent von etwa 0,40 eine erhebliche Empfindlichkeit gegenüber höheren Entladeströmen.

Kapazitätsverlust bei höheren Entladeströmen

Der zunehmende Peukert-Exponent bei höheren Strömen deutet darauf hin, dass zusätzliche Ineffizienzen, wie z. B. ein erhöhter Innenwiderstand und elektrochemische Reaktionseinschränkungen, dominant werden. Bei niedrigen Strömen (250 mA und 500 mA) blieb der Exponent relativ stabil bei 0,34, was auf einen moderaten Effizienzverlust schließen lässt. Bei 1000 mA stieg der Exponent jedoch sprunghaft auf 0,526 an, was zeigt, dass extreme Entladungsraten die Effizienz drastisch verringern. Dies kann auf mehrere Faktoren zurückgeführt werden, darunter ein erhöhter Spannungsabfall aufgrund des Innenwiderstands, Diffusionsbeschränkungen, die den Ionentransport verhindern, und Selbsterhitzung, die unerwünschte Nebenreaktionen wie die Gasbildung innerhalb der Zelle beschleunigen kann.

Die ursprüngliche Gleichung, die von Wilhelm Peukert 1897 für Blei-Säure-Batterien formuliert wurde, lautet

C_eff=C_nom*(I_reff/I)^k

  • Ceff ist die effektive Kapazität bei einem Entladestrom I,
  • Cnom ist die Nennkapazität bei einem Bezugsstrom Iref,
  • k ist der Peukert-Exponent, der angibt, wie stark die Kapazität mit zunehmendem Entladestrom abnimmt.

Um den Peukert-Exponenten zu bestimmen, wird die Gleichung wie folgt umgestellt:

k=(log(C_eff/C_nom))/(log(I_ref/I))

Für ideale Batterien, bei denen die Kapazität unabhängig vom Entladestrom bleibt, wäre der Peukert-Exponent null. In der Praxis zeigen Batterien jedoch nicht-ideales Verhalten, was zu einem Peukert-Exponent größer als null führt.

  • Lithium-Ionen-Batterien weisen mit k = 0.05−0.15 eine minimale Abhängigkeit von der Entladerate auf.
  • Blei-Säure-Batterien haben mit k = 1.1−1.5 eine starke Kapazitätsreduzierung bei hohen Strömen.
  • Alkaline-Batterien, wie in dieser Studie beobachtet, zeigen mit k = 0.3−0.5 ein intermediäres Verhalten: Sie funktionieren gut bei niedrigen Strömen, verlieren aber bei hohen Lasten erheblich an nutzbarer Kapazität.

Kapazitäts- und Entladezeitverlust nach mehreren Lade-Entlade-Zyklen

Die experimentellen Ergebnisse zeigen einen deutlichen Rückgang sowohl der Entladezeit als auch der entnommenen Kapazität über mehrere Zyklen. Dies bestätigt, dass Alkaline-Batterien bei wiederholtem Laden und Entladen erhebliche Degradation erfahren.

Dieser Kapazitätsverlust ist besonders stark bei niedrigen Entladeströmen, wie beim 100-mA-Versuch, wo die ursprüngliche Kapazität von 2181 mAh bereits im zweiten Zyklus auf 710 mAh sank und bis zum fünften Zyklus auf 205 mAh weiter abnahm. Diese starke Reduktion deutet darauf hin, dass die Batterie selbst bei geringer Stromentnahme signifikante chemische Degradationsprozesse durchläuft. Dazu gehören irreversible Nebenreaktionen wie die Passivierung der Zinkanode und strukturelle Veränderungen an der Mangandioxid-Kathode.

Bei höheren Entladeströmen (500 mA) zeigt sich ein ähnlicher Trend, jedoch mit einem geringeren relativen Kapazitätsverlust. Hier beginnt die Batterie mit 1247 mAh, fällt im zweiten Zyklus auf 697 mAh und erreicht schließlich 301 mAh im fünften Zyklus. Der prozentuale Kapazitätsverlust ist hier geringer als bei 100 mA, was darauf hinweist, dass langfristige Niedrigstromnutzung die Materialverluste verstärkt, möglicherweise durch elektrochemische Mechanismen, die bei niedrigen Strömen verstärkt Nebenreaktionen hervorrufen.

Ein wichtiger Befund ist der Einfluss der Abschaltspannung auf den Kapazitätserhalt. Die Versuche mit 500 mA und 0,5 V Cutoff zeigen eine durchgängig höhere entnommene Kapazität als die 1-V-Cutoff-Tests. Die Ausgangskapazität betrug 1670 mAh, sank im zweiten Zyklus auf 1074 mAh und erreichte im fünften Zyklus 324 mAh. Eine tiefere Entladung (bis 0,5 V) ermöglicht also eine höhere nutzbare Energie pro Zyklus, beeinflusst jedoch nicht signifikant die Langzeitdegradation. Dies deutet darauf hin, dass die chemischen Abbauprozesse in der Batterie unabhängig von der Entladetiefe fortschreiten.

Die sinkenden Entladezeiten verlaufen fast identisch zur Kapazitätsreduktion. Dies bestätigt, dass wiederholte Ladezyklen zu einem Anstieg des Innenwiderstands führen, wodurch der nutzbare Ladeinhalt sinkt. Der steigende Innenwiderstand führt zu größeren Spannungseinbrüchen unter Last, was die Batterie noch schneller entleert. Zudem zeigen die höheren Standardfehler in späteren Zyklen, dass die Batterien mit zunehmender Nutzung unterschiedlich stark degradieren, möglicherweise durch Fertigungstoleranzen oder chemische Inhomogenitäten.

Aus praktischer Sicht verdeutlichen diese Ergebnisse, dass Alkaline-Batterien besonders ungeeignet für wiederholte Tiefentladung und Wiederaufladung sind. Während sie in niedrigstromigen Anwendungen wie Fernbedienungen oder Uhren noch eine begrenzte Wiederverwendbarkeit haben, nimmt ihre Leistung bei mehrfacher Nutzung drastisch ab. Hochstromanwendungen wie motorisierte Spielzeuge oder tragbare Elektronik verstärken diesen Effekt noch weiter, wodurch die Batterien nach wenigen Zyklen unbrauchbar werden.

Für gering belastete Anwendungen wie Fernbedienungen, Uhren oder LED-Leuchten können wiederaufgeladene Alkaline-Batterien eingeschränkt verwendet werden. Für hochstromige Verbraucher, wie motorisierte Geräte, Taschenlampen oder Ventilatoren, sind sie jedoch ineffizient, da die nutzbare Kapazität aufgrund des starken Peukert-Effekts stark begrenzt ist. In solchen Szenarien sind alternative Batterietypen wie Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) besser geeignet.

Zunahme des Innenwiderstands

Dieser Anstieg des Innenwiderstands wird auf mehrere Faktoren zurückgeführt. Eine Hauptursache ist die Degradation der Elektroden, insbesondere an der Zinkanode, wo wiederholte Lade- und Entladezyklen zu einer ungleichmäßigen Ablagerung und Verarmung des aktiven Materials führen. Mit der Zeit führen diese Veränderungen zu einem höheren Widerstand gegen den Ladungsfluss. Ein weiterer Faktor ist die Erschöpfung des Elektrolyts, wo wiederholte Zyklen zu einer lokalen Erschöpfung des Kaliumhydroxids (KOH) führen, was die Ionenmobilität verringert und den Widerstand erhöht. Darüber hinaus behindert die Bildung von isolierenden Nebenprodukten wie Zinkhydroxid (Zn(OH)2) und Zinkoxid (ZnO) den effizienten Elektronentransport zusätzlich. Diese Nebenprodukte lagern sich auf der Anode ab und bilden eine Widerstandsbarriere zwischen dem aktiven Material und dem Elektrolyten. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Gasentwicklung und strukturelle Degradation, insbesondere bei hohen Entladeströmen, wo die Bildung von Wasserstoffgas zu Mikroporen führt und die Ladungsleitbahnen unterbricht.

Ein bemerkenswerter Unterschied zwischen den 1-V- und 0,5-V-Abschaltbedingungen sind die etwas höheren Widerstandswerte bei tieferen Entladungen (0,5 V). Wenn die Batterie weiter entladen wird, erhöht sich zwar die entnommene Kapazität pro Zyklus, doch wird dadurch auch der chemische Abbau beschleunigt, was zu einem schnelleren Anstieg des Innenwiderstands führt. Dies deutet darauf hin, dass eine Tiefentladung zwar die Energienutzung vorübergehend verbessern kann, aber zu einer kürzeren Gesamtzyklenlebensdauer beiträgt, da sie eine aggressivere elektrochemische Degradation fördert.

Die Experimente liefern wichtige Erkenntnisse über die chemischen und praktischen Grenzen von wiederaufgeladenen Alkalibatterien. Chemisch gesehen führt das wiederholte Aufladen zu Abbauprozessen vor allem an der Zinkanode und der Mangandioxidkathode, die für die elektrochemischen Reaktionen in Alkalibatterien verantwortlich sind.
Nochmal zur Erinnerung: Bei der Entladung oxidiert das Zink an der Anode:

Zn (s)+2OH–→ZnO (s)+H2​O (l)+2e–

An der Kathode wird das Mangandioxid reduziert:

2MnO2​(s)+H2​O (l)+2e–→2MnOOH (s)

Beim Wiederaufladen werden diese Reaktionen teilweise umgekehrt. Zinkoxid (ZnO) wird wieder zu metallischem Zink (Zn) reduziert:

ZnO (s)+H2​O (l)+2e–→ Zn (s)+2OH–

Manganoxyhydroxid (MnOOH) wird zu Mangandioxid (MnO₂) oxidiert:

2MnOOH (s) → 2MnO2​(s)+H2​O (l)+2e–

Ineffizienzen in diesem Prozess führen jedoch zu Nebenreaktionen wie der Entwicklung von Wasserstoffgas an der Anode:

2H2​O (l)+2e–→ H2 ​(g)+2OH–

Außerdem kann sich Zinkhydroxid (Zn(OH)2) bilden und ausfallen, wodurch das aktive Zink dauerhaft aus dem elektrochemischen System entfernt wird:

ZnO (s) + H2​O (l) → Zn(OH)2 ​(s)

Eine Tiefentladung verstärkt die bereits bestehenden Probleme durch eine verstärkte Erschöpfung der aktiven Materialien. Dies führt insbesondere an der Zinkanode zu strukturellen Schäden, wodurch ihre Fähigkeit, sich an elektrochemischen Reaktionen zu beteiligen, weiter abnimmt. An der Kathode kann eine übermäßige Reduktion von Mangandioxid zudem irreversible Phasenumwandlungen verursachen, die dessen Reaktivität in späteren Zyklen erheblich verringern.

Diese chemischen Veränderungen erklären den deutlichen Rückgang der Kapazität und Spannungsstabilität sowie den beobachteten Anstieg des Innenwiderstands bei Tiefentladung und Wiederaufladung. Der steigende Innenwiderstand reflektiert die Akkumulation inaktiver Nebenprodukte und die Schädigung der Elektroden, wodurch der effiziente Stromfluss zunehmend behindert wird.

Aus praktischer Sicht zeigen diese Ergebnisse, dass wiederaufgeladene Alkaline-Batterien zwar in Niedrigstromanwendungen noch nutzbar sind, ihre Kapazität und Zuverlässigkeit jedoch für Hochstromanwendungen oder kritische Geräte unzureichend sind. Zudem stellen die Entwicklung von Wasserstoffgas und die Bildung inaktiver Nebenprodukte potenzielle Sicherheitsrisiken dar – insbesondere in schlecht belüfteten Umgebungen –, was eine sorgfältige Handhabung und Anwendung erfordert.

Praktische Anwendbarkeit

Trotz ihrer Einschränkungen können wiederaufgeladene Alkaline-Batterien in niedrigstromigen Geräten wie Fernbedienungen oder Uhren weiterhin nützlich sein, da hier eine vollständige Kapazitätsnutzung nicht zwingend erforderlich ist. Für Hochstromanwendungen oder sicherheitskritische Geräte, wie Rauchmelder oder Taschenlampen, sind sie jedoch nicht empfehlenswert, da ihre Leistung schnell abnimmt und ihre Zuverlässigkeit mit jedem Zyklus weiter sinkt.

Umweltaspekte und Nachhaltigkeit

Das Wiederaufladen von Alkaline-Batterien kann dazu beitragen, Abfall zu reduzieren und ihre Lebensdauer zu verlängern. Dennoch bleiben dedizierte wiederaufladbare Batterietechnologien, wie Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder Lithium-Ionen-Batterien, die langfristig nachhaltigere Lösung. Der Umstieg auf speziell für den Mehrfachgebrauch entwickelte Batterien minimiert die Umweltbelastung und bietet gleichzeitig eine höhere Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit.

Fazit

Das Wiederaufladen von Alkaline-Batterien ist ein spannendes Zusammenspiel aus Chemie und Ingenieurstechnik, das interessante Einblicke in die Reversibilität elektrochemischer Reaktionen bietet. Während es theoretisch möglich und in bestimmten Fällen praktisch umsetzbar ist, geht es mit erheblichen Risiken und Einschränkungen einher.

Für Personen, die sich für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit interessieren, ist der Wechsel zu dedizierten wiederaufladbaren Batterien langfristig der sicherere und umweltfreundlichere Weg.