AA NiZn: Nickel-Zink Akkus als Alternative?

Nickel-Zink Akkus sind dank einer hohen mittleren Spannung von 1,6 Volt eine gute Alternative zur Einwegbatterie, können aber auch gegenüber dem klassischen NiMH-Akku in vielen Bereichen überzeugen. Eine ausführliche Vorstellung der Nickel-Zink Akkutechnik…

Wir haben unseren AA-Akku-Vergleichstest um einen neuen, für viele Nutzer noch unbekannten Akkutyp erweitert. Auch wenn der Nickel-Zink-Akkumulator bereits 1901 von Thomas Alva Edison erfunden wurde, erreichte er erst im neuen Jahrtausend die Marktreife. Seit einigen Jahren sind Nickel-Zink-Akkus (NiZn) auch in der Bauform AA (Mignon) mit passenden Ladegeräten für Consumer im Handel erhältlich. Gegenüber dem weit verbreiteten Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH) mit einer mittleren Zellenspannung von nur 1,25 Volt verfügen die NiZn-Akkus mit 1,65 Volt über eine wesentlich höhere Spannung. In Bezug auf die Spannungslage sind NiZn-Akkus daher der klassischen Alkaline-Einwegbatterie von 1,5 Volt deutlich ähnlicher als NiMH-Akkus. Dieser Artikel erklärt Vor- und Nachteile der NiZn-Akkus und zeigt, wo der Einsatz sinnvoll ist.

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Welche Vorteile haben Nickel-Zink-Akkus?

Zunächst wollen wir einige der Vorteile von NiZn-Akkus klären und beschreiben Anwendungsfälle, bei denen Nickel-Zink-Akkus Vorteile haben:

1) Geräte benötigen eine höhere Spannung!

Bestimmte Geräte sind auf den Betrieb mit Einwegbatterien von 1,5 Volt ausgelegt und reagieren auf die geringere Spannungslage der NiMH-Akkus empfindlich. Die Geräte lassen sich entweder gar nicht mit NiMH-Akkus betreiben oder aber sie zeigen frühzeitig eine leere Batterie an. Viele dieser Geräte können dann die Kapazität des NiMH-Akkus nicht voll ausnutzen und schalten zu früh ab.
Typische Anwendungen, die Probleme mit der geringen Spannung von NiMH-Akkus haben könnten und auf den Betrieb mit 1,5-Volt-Batterien ausgelegt sind: Fernbedienungen, Uhren, Messinstrumente, LED-Taschenlampen, Feuermelder, Kinderspielzeug und viele weitere. Eine generelle Aussage ist leider nicht möglich, die Situation kann von Gerät zu Gerät unterschiedlich sein. Einige Gerätehersteller schreiben jedoch auf ihre Geräte, dass ein zuverlässiger Betrieb nur mit Einwegbatterien möglich ist. Bei all diesen Geräten löst die Verwendung des Nickel-Zink-Akkus die Probleme und ermöglicht somit einen Akkubetrieb auch für Geräte, welche normalerweise nur für den Betrieb mit Einweg-Batterien ausgelegt sind.

2) Geräte sollen mehr Leistung bringen!

Viele Geräte sind in ihrer Leistung nicht geregelt oder ziehen einen konstanten Strom. Zieht ein Gerät z.B. 500 mA Strom, so liegt die Leistungsaufnahme bei einem NiMH-Akku mit durchschnittlich 1,2 Volt nur bei 0,6 Watt, bei einem NiZn-Akku mit 1,6 Volt sind es jedoch 0,8 Watt. Die Folge: Eine LED leuchtet heller oder ein Motor dreht schneller!
Natürlich führt eine höhere Leistungsaufnahme auch zu einer kürzeren Akkulaufzeit, doch für einige Anwendungen ist man bereit, diesen Umstand in Kauf zu nehmen. Vielleicht möchte man, dass eine LED-Taschenlampe besonders hell leuchtet, ein mit Motor betriebenes Spielzeug besonders schnell fährt oder aber ein batteriebetriebenes Küchengerät besonders kräftig dreht (z.B. Milchaufschäumer).
Durch den Innenwiderstand der Zelle bricht die Spannung unter hohen Lasten sowohl beim NiMH- als auch beim NiZn-Akku mehr oder weniger ein. Durch die höhere Spannung der Nickel-Zink-Akkus führt der Spannungseinbruch bei Nickel-Zink-Akkus weit später dazu, dass Geräte wegen Unterspannung abschalten. Entsprechend sind NiZn-Akkus für Geräte mit hohen Leistungsanforderungen sehr gut geeignet. Im Vergleich zu NiMH-Akkus, besonders aber im Vergleich zu Alkaline-Batterien, verlieren NiZn-Akkus auch bei sehr hohen Strömen prozentual weniger an nutzbarer Kapazität.

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Das Diagramm zeigt eindrucksvoll, wie hoch die Mehrleistung z.B. bei einer LED-Taschenlampe ist, welche mit nur einer AA-Zelle betrieben wird (LED LENSER P5.2). Allerdings hält das helle Vergnügen im Vergleich zu anderen Akkus oder Batterien entsprechend kurz an. Dennoch: Wenn Leistung wichtiger ist als Ausdauer, sind Nickel-Zink-Akkus die bessere Wahl.

Achtung

Ein voller NiZn-Akku hat selbst unter Last eine Spannung von ca. 1,6-1,8 Volt. Empfindliche Geräte, welche nur auf eine maximale Spannung von 1,5 Volt ausgelegt sind, können theoretisch Schaden nehmen. So erwärmt sich z.B. die Taschenlampe in unserem Test erheblich stärker, was eine schnellere Alterung der LED zur Folge haben könnte. In der Praxis sind uns jedoch noch keine Geräte durch die Nutzung von NiZn-Akkus zerstört worden! Dennoch: Nutzung auf eigene Gefahr!

3) Ein hoher Wirkungsgrad wird benötigt!

Vergleicht man die Energiemenge, welche beim Laden eines Akkus aufgewendet werden muss mit der Energie, welche beim Entladevorgang entnommen werden kann, lässt sich der Wirkungsgrad berechnen. Der Wirkungsgrad ist stark vom gewählten Lade-/Entladeverfahren sowie den Lade-/Entladeströmen abhängig. Unsere Werte gelten für eine Entladerate von 500 mA. Der Wirkungsgrad liegt bei AA-NiMH-Akkus in der Regel nur bei 80-85 Prozent bei der Verwendung des Delta-Minus-Ladeverfahrens (ohne Top-Off-Charging) bzw. 50-55 Prozent im Standard-Ladeverfahren (1/16 C). Bei NiZn-Akkus hingegen liegt die Effizienz bei 85-90 Prozent. Insgesamt haben NiZn-Akkus gegenüber NiMH-Akkus einen höheren Wirkungsgrad und verschwenden weniger Energie.

Welche Nachteile haben NiZn-Akkus?

Die Vorteile von NiZn-Akkus klingen verlockend, aber gibt es auch Nachteile?

1) Kapazität

Ni-Zn-Akkus in der Bauform AA haben in der Regel ca. 1300 bis 1500 mAh (Milliamperestunden), was zunächst nach deutlich weniger Kapazität im Vergleich zu den bis zu 2750 mAh der besten NiMH-Hochkapazitäts-Akkus aussieht. Für den Kapazitätsvergleich ist aber die Einheit Wattstunden entscheidend, welche sich aus der Multiplikation von Strom und Spannung ergibt. Durch die höhere Spannung erreichen NiZn-Akkus mit 2,2 bis 2,5 Wattstunden eine Kapazität, welche zumindest an Low-Self-Discharge-NiMH-Akkus heranreicht. Hochkapazitäts-NiMH-Akkus erreichen mit bis zu 3,3 Wattstunden jedoch eine deutlich höhere Kapazität. Die Kapazität von NiMH-Akkus im Vergleich zu NiZn-Akkus ist in unserem AA-Akku-Vergleichstest im Detail zu entnehmen!

NiMH AA-Akkus Test

2) Lebenserwartung und Zyklen

Die Anzahl an Zyklen steht für die Lebenserwartung eines Akkus. Leider liegt die maximale Anzahl von möglichen Lade- und Entladevorgängen bei NiZn-Akkus trotz technischer Fortschritte mit 200 bis 300 Zyklen noch immer unter denen von NiMH-Akkus. Allerdings muss an dieser Stelle erwähnt werden, dass Hochkapazitäts-NiMH-Akkus auch nicht mehr Zyklen vertragen und die höhere Zyklenfestigkeit von NiMH-Akkus nur dann erreicht wird, wenn die Kapazität deutlich reduziert wird und damit wieder im Bereich der NiZn-Akkus liegt. Details zur Zyklenfestigtkeit von unterschiedlichen NiMH-Akkus in unserem NiMH-AA-Akkuvergleichstest.

Im Gegensatz zu NiMH-Akkus steigt der Innenwiderstand von Nickel-Zink-Akkus durch viele Zyklen kaum an. Das hat positiv zur Folge, dass zwar die Kapazität mit dem Alter des Akkus sinkt, die Leistung aber nahezu gleich bleibt. Auch ein sehr alter NiZn-Akku kann daher noch problemlos in Hochstromanwendungen verwendet werden, natürlich mit deutlich geringerer Kapazität und Laufzeit.

3) Entladekurve

Die Entladekurve von Nickel-Zink-Akkus unterscheidet sich gegenüber Einwegbatterien und NiMH-Akkus deutlich. Die Spannung liegt lange Zeit sehr hoch, um dann gegen Ende der Kapazität extrem steil abzufallen. Die auf Einwegbatterien oder NiMH-Akkus optimierte Batteriestatusanzeige der meisten Geräte wird dadurch unbrauchbar und zeigt zu lange einen vollen Akku an. Der steile Spannungsabfall zum Ende der Kapazität führt dazu, dass die Geräte sehr schnell und plötzlich an Leistung verlieren, was in vielen Anwendungsfällen unerwünscht ist und von vielen Nutzern als Problem wahrgenommen wird. Im Modellbau sind die Akkus daher in Flugmodellen gefürchtet! Die Entladeschlussspannung eines NiZn-Akkus sollte 1,1 (bei einigen Herstellern 1,2) Volt nicht unterschreiten. Viele Geräte schalten jedoch erst ab einer Spannung von 0,9 oder 1,0 Volt zuverlässig ab, was vor allem bei Geräten mit geringer Leistungsaufnahme schnell zur Tiefentladung der NiZn-Akkus und damit zur Schädigung führen kann. Es ist daher wie auch bei NiMH-Akkus wichtig, die Zellen nur in Geräten zu verwenden, welche eine zuverlässige Abschaltung besitzen oder den Entladevorgang aktiv zu überwachen.

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4) Ladetechnik

Nickel-Zink-Akkus müssen gegenüber NiMH-Akkus mit einem unterschiedlichen Ladeverfahren geladen werden und erfordern daher spezielle NiZn-Ladegeräte. NiMH-Akkus werden mit einem konstanten Strom geladen, während NiZn-Akkus nur bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung mit einem konstanten Strom und im Anschluss mit einer konstanten Spannung (meist 1,9 Volt) geladen werden (CC-CV). NiMH-Akkus können (auch wenn es den Akku belastet und die Lebenserwartung verkürzt) sehr schnell geladen werden und erreichen auch im Schnellladeverfahren einen Großteil ihrer Kapazität. NiZn-Akkus können zwar ebenfalls schnell geladen werden, allerdings nur in der Konstantstromphase des Ladevorganges, welcher jedoch nur ca. 80 Prozent der Kapazität ausmacht. Die letzten 20 Prozent kosteen aufgrund des langsam sinkenden Ladestroms viel Zeit und lassen sich nicht weiter beschleunigen. Insgesamt ist daher bei NiZn-Akkus mit deutlich höheren Ladezeiten zu rechnen. Möchte man jedoch nur 80 Prozent der Kapazität eines NiZn-Akkus verwenden, kann diese ebenfalls schnell mit hohen Strömen geladen werden (was wie bei NiMH-Akkus den Akkuverschleiß stark erhöht). Dennoch ist der NiMH-Akku in Bezug auf die Schnellladung überlegen!

Konkrete Testergebnisse: Ansmann NiZn 2500

Nachdem wir die grundsätzlichen Unterschiede erklärt haben, möchten wir einen NiZn-AA-Akku im Detail vorstellen. Der Ansmann NiZn 2500 wurde von uns in den AA-Akkuvergleichstest aufgenommen. Während die Hersteller von NiMH-Akkus in der Regel mit Angabe der mAh (Milliamperestunden) werben, wählt Ansmann für den NiZn 2500 die Angabe mWh (Milliwattstunden), was aufgrund der höheren Spannungslage der schmeichelhaftere Wert ist.

Ansmann NiZn 2500 Kapazität

Zur Messung der Kapazität haben wir den Ansmann NiZn 2500 wie vom Hersteller vorgegeben geladen:

  • Konstantstromphase: 300 mA
  • Konstantspannungsphase: 1,9 Volt
  • Abschaltstrom: 50 mA

Die Kapazität wurde für unterschiedliche Entladeströme gemessen. Zwischen Ladung und Entladung wurde eine Pause von einer Stunde eingehalten:

  • Kapazität bei 50 mA beträgt: 1418 mAh bei 2404 mWh (1,696 Volt)
  • Kapazität bei 500 mA beträgt: 1357 mAh bei 2237 mWh (1,649 Volt)
  • Kapazität bei 2500 mA beträgt: 1335 mAh bei 2065 mWh (1,547 Volt)

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Damit liegt der Akku etwas unter den Herstellerangaben von 2500 mWh. Allerdings lässt sich dem Akku durch einen geringeren Abschaltstrom etwas mehr Kapazität einladen, womit die Kapazität steigt. Mit einem Abschaltstrom von nur 10 mA verdoppelt sich die Ladezeit von gut 6 auf 12 Stunden, die Kapazität steigt allerdings um ca. 8 Prozent und erreicht damit knapp die Herstellerangabe!

Achtung

Es ist zwar verlockend, die Kapazität durch die Reduzierung des Abschaltstroms auf 10 mA deutlich zu steigern, allerdings reduziert sich die Anzahl der Zyklen dadurch deutlich (siehe Abschnitt Zyklen)!

Kapazität und Leistung bei Kälte

Bei kalten Temperaturen steigt der Innenwiderstand von Batterien und Akkus, was den Spannungsabfall vor allem bei hohen Leistungen erheblich steigert. Dies führt dazu, dass viele Geräte bei extrem kalten Temperaturen, auch bei vollen NiMH-Akkus oder Batterien einen leeren Akku anzeigen und im schlimmsten Fall nicht betrieben werden können. Durch die hohe Spannungslage der Nickel-Zink-Akkus bleibt die Spannung, trotz kältebedingtem Spannungsabfall, auch bei extremer Kälte noch in einem Bereich, der von den meisten Geräten problemlos toleriert wird.

Der Verlust an nutzbarer Kapazität ist auch bei extrem kalten Temperaturen vom Entladestrom abhängig. In unserem Test haben wir bei -20 °C und einem Entladestrom von 500 mA  eine nutzbare Kapazität von ca. 50 Prozent gemessen. Der Entladestrom von GPS-Outdoor-Geräten ist deutlich niedriger, so dass der kältebedingte Kapazitätsverlust hier geringer ausfällt. Durch die hohe mittlere Spannung ist der NiZn-Akku bei extrem kalten Temperaturen gut geeignet und den meisten NiMH-Akkus überlegen.

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Selbstentladung

Jeder Akku verliert, während er ungenutzt gelagert wird, mit der Zeit an Ladung. Je höher die Lagertemperatur, umso schneller ist die sog. Selbstentladung. Für das Testen der Selbstentladung benötigt man viel Zeit, daher liegen uns zum jetzigen Zeitpunkt erst die Ergebnisse einer 14-tägigen und einer 3-monatigen Lagerung vor. Die Kapazität der Akkus Ansmann Ni-Zn 2500 lag bei 20 °C Lagertemperatur nach

    • 14 Tagen bei 93,5 Prozent
    • 3 Monaten bei 85,1 Prozent.

Diese Werte liegen vor allem für den Zeitraum von 14 Tagen über den besten Low-Self-Discharge-NiMH-Akkus (Panasonic eneloop). Der Wert nach 3 Monaten entspricht in etwa der Selbstentladung von LSD-NiMH-Akkus.  Die Selbstentladung bei NiZn-Akkus ist gegenüber NiMH-Akkus nahezu linear, so dass nach einem Jahr mit einer Restkapazität von 50-55 Prozent zu rechnen ist (Test steht noch aus). Somit ist der LSD-NiMH-Akku bei langfristiger Lagerung klar überlegen. Hochkapazitäts-NiMH-Akkus hingegen verlieren Ihre Kapazität deutlich schneller und können bereits nach 6 Monaten nahezu leer und nach einem Jahr schädlich tiefentladen sein.

Streuung

Die Streuung der von uns getesteten NiZn-Akkus lag im Mittel nur bei 0,79 Prozent. Dieser Wert liegt im Vergleich zu den von uns getesteten NiMH-Akkus im Spitzenfeld und wird nur vom Panasonic eneloop und einem Sony NH-AA-B4FN übertroffen. Natürlich kann ein Test mit einigen Akkus hier nur eine begrenzte Aussagekraft entwickeln.

Zyklen

Alle Akkus unterliegen einem fortlaufenden Alterungsprozess, welcher zeit- und zyklenabhängig ist. Wenn ein AA-Akku nicht bereits durch falsche Behandlung (Tiefentladung, Überladung, falsche Ladetechnik) das Zeitliche segnet, dann ist die Zyklenbelastung bei AA-Akkus der maßgebliche Alterungsfaktor. Wir haben den Ansmann NiZn 2500 wie folgt getestet:

  • Konstantstromphase: 750 mA
  • Konstantspannungsphase: 1,9 Volt
  • Abschaltstrom: 50 mA bzw. 10 mA
  • Pause: 15 min
  • Entladung: 500 mA bis 1,1 Volt
  • Pause: 5 min

Alle 50 Zyklen wurde eine Kapazitätsmessung mit reduziertem Ladestrom durchgeführt und der Innenwiderstand gemessen. Die Ergebnisse sind stark von den verwendeten Lade- und Entladeströmen abhängig.

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Die mögliche Anzahl der Zyklen liegt damit im Bereich der Hochkapazitäts-NiMH-Akkus, jedoch deutlich unter LSD-NiMH-Akkus, welche in unseren Tests bis 800 vergleichbare Zyklen erreicht haben.

Diese Testergebnisse sind vorläufig. Zur Absicherung der Ergebnisse werden alle Zyklentests von uns mehrfach durchgeführt!

Zusammenfassung

Der Nickel-Zink-Akku unterscheidet sich in vielen Eigenschaften grundlegend von üblichen NiMH-Akkus und hat viele Vor- aber auch Nachteile:

plus9x9 hohe Spannungslage
plus9x9 hoher Wirkungsgrad
plus9x9 hohe Leistung
plus9x9 hohe Leistung auch nach vielen Zyklen
plus9x9 sehr gute Leistung auch bei Kälte
plus9x9 geringe Selbstentladung in den ersten Monaten
minus9x9 eher geringe Kapazität
minus9x9 weniger Zyklen als LSD-NiMH-Akkus
minus9x9 sehr steiler Spannungsabfall
minus9x9 spezielles Ladegerät erforderlich
minus9x9 längere Ladezeiten
minus9x9 Preis etwas höher

Ob sich der Einsatz von NiZn-Akkus inkl. der Anschaffung eines entsprechenden NiZn-Ladegerätes lohnt, ist vor allem von der geplanten Verwendung abhängig. Der NiZn-Akku ist weder generell besser noch schlechter als der weit verbreitete NiMH-Akku, es ist eine andere Technologie!

Allerdings gibt es durchaus Geräte, welche nicht oder nur schlecht mit der geringen Spannung der NiMH-Akkus zurechtkommen und für den Betrieb mit 1,5-Volt-Batterien konzipiert wurden. Hier bietet sich der Nickel-Zink-Akku als bestmögliche Alternative zur Einwegbatterie an und kann viel Geld sparen und die Umwelt schonen.

Doch auch bei Geräten, welche problemlos mit NiMH-Akkus zu betreiben sind, lässt sich durch die Verwendung von NiZn-Akkus unter Umständen die Leistung (nicht die Laufzeit) dramatisch verbessern!

Preis: EUR 12,95 bei Amazon

NiMH AA-Akkus Test

1 Kommentar zu “AA NiZn: Nickel-Zink Akkus als Alternative?

  1. Sehr interessanter Test, Danke 🙂

    Bei eurer Verlinkung auf Amazon bzgl. Ladegeräte muß man allerdings vorsichtig sein, da werden auch ungeeignete Ladegeräte angezeigt.

    Besonders kritsich ist es bei den Voltcraft-Ladegeräten, das kleine CM 410 kann NiZn, das größere CM420 nicht

    Insgesamt ist die Auswahl sehr mau, leider. Außer dem CM 410 gibt es nur sehr teure Universallader wie den CM 2016 oder solche Dinger ohne Einstellung des Ladestroms/ ohne Statusanzeige (LED zähle ich nicht dazu)

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