Alkali-Refresher

Lange, bevor windige Batteriehersteller auf die Idee kamen, ihre hochgezüchteten Alkali-Mangan-Zellen als "Alkali-Akkus" zu deklarieren, um diese zusammen mit sogenannten High-Tech-Ladegeräten zu Phantasiepreisen auf den Markt zu bringen, lange vorher haben unerschrockene Hobbyisten schon die eine oder andere normale Alkali-Mangan-Zelle "wiederaufgefrischt" - und das oftmals mit ganz einfachen Universal-Ladegeräten, wie sie auch heute noch (von geduldigen Leuten) für das Normalladen von NiCd-Akkus verwendet werden.

Dabei kommt es praktisch nie zu den versprochenen "Bränden und Explosionen", oft aber zu einem positiven Aha-Erlebnis: Das Wiederauffrischen funktioniert in der Tat, und zwar am besten, wenn man die Zelle vorher nicht allzu tief entladen hat, und wenn man sich damit ein wenig Zeit lässt. Bei moderaten Ladeströmen von etwa 50mA ist die Sache auch ganz allgemein recht gefahrlos.

Die Elektronik dieser wahrhaft universellen Billiglader besteht meist nur aus Dioden und Widerständen sowie einem weichen Trafo, der strombegrenzend wirkt. (...wohlwollende Bezeichnung: "Konstantstrom-Lader" ;-)
Hier wird also mit pulsierendem Gleichstrom geladen, und diese Behandlung scheint erfahrungsgemäß auf das Alkali-Mangan-System einen positiveren Effekt zu haben, als reine Gleichstromladung. Auch die wenigen bekannteren Selbstbauschaltungen für Alkali-Akku-Lader bzw. Alkali-Refresher [Links] arbeiten alle mit pulsierenden Ladeströmen; dazu braucht's nicht einmal einen Mikroprozessor und schon gar kein "patentiertes Impulsladeverfahren"...

Mein Konzept eines Alkali-Refreshers geht noch einen Schritt weiter und greift die Idee einer Wechselstrombehandlung auf:

Wechselstrom bewirkt in einer elektrochemischen Zelle eine (kontrollierbare) Depolarisation der Elektroden bzw. angelagerter Ionenkomplexe. Unter bestimmten Bedingungen kann man sogar erreichen, dass die reversiblen Elektrodenprozesse gefördert werden, während die irreversiblen Reaktionsmechanismen tendenziell unterdrückt werden. Diese längst bekannte Tatsache machen sich diverse elektrochemische Analyseverfahren zunutze (z.B. die Wechselstrom-Polarographie).
Auch beim Wiederauffrischen von Alkali-Mangan-Zellen möchte man am liebsten nur die reversiblen ("guten") Elektrodenreaktionen unterstützen, damit das Element möglichst viele Lade-/Entladezyklen mitmacht. Es ist klar, dass man von Wiederauffrischverfahren bei Primärelementen keine Wunder erwarten darf; dazu sind die Zellen doch zu sehr auf ex-und-hopp ausgelegt und der herstellerspezifische chemische Cocktail zu schlecht kalkulierbar. Und dennoch - wenn es gelingt, die Zellenchemie durch Wechselstrombehandlung auch nur wenige Male zu reaktivieren, dann hätte sich der Aufwand bereits gelohnt. (Wer's nicht aus Umweltgründen einsehen will, eine Kostenrechnung findet sich weiter unten.)

In der vorliegenden Schaltung wechseln sich Lade- und Entladestrom 50 Mal in der Sekunde ab, um den mutmaßlichen Regenerierungseffekt zu optimieren. Eine leichte Verschiebung des Tastverhältnisses zugunsten des Ladestroms bewirkt schließlich den Wiederaufbau von Kapazität.

Die hier vorgestellte Lösung basiert allein auf dem Spannungsgefälle gewöhnlicher Siliziumdioden. So erreicht man auf verblüffend einfache Weise eine dynamische Anpassung der Pulsbreiten von Lade-/Entladeströmen an das aktuelle Spannungspotenzial der Zelle. Ein Überladen der Zelle und mithin das Aufkommen eines zu hohen Innendrucks ("Plopp") wird damit praktisch unmöglich gemacht. Spätestens bei 1,7 Volt Zellenspannung stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem die Zelle nur noch von Wechselstrom durchflossen wird. Womit wir auch schon bei einem offensichtlichen Nachteil dieses Verfahrens wären: Der Wirkungsgrad dieser Methode ist vergleichsweise schlecht, weil die Wechselstromkomponente zu jedem Zeitpunkt nahezu die gleiche Verlustleistung bewirkt. Deshalb sollte man das Verfahren auch nur mit relativ niedrigen Strömen betreiben, um diese Belastung gering zu halten.
Mit der vorgestellten Schaltung, deren effektiver Netto-Ladestrom höchstens 30mA beträgt, kann das Wiederauffrischen einer Mignon-Zelle gut und gern 24 Stunden dauern. Es handelt sich also um einen ausgesprochenen "Langsam-Lader".

Hinweis: Für die Wirksamkeit und Sicherheit dieses experimentellen Verfahrens kann ich selbstverständlich keine Garantie übernehmen. Ladegeräte sollten grundsätzlich nicht ohne Aufsicht betrieben werden.  Ich persönlich halte das Verfahren bei niedrigen Strömen für ausgesprochen sicher und habe mit dem hier beschriebenen Gerät in den letzten Jahren über 100 alkalische Primärelemente erfolgreich wieder aufgefrischt. Ausnahmen bestätigen die Regel, weitere Erfahrungen unten.

Die übersichtliche Grundschaltung des Alkali-Refreshers ist in Bild 2 wiedergegeben.

Ein Ladestrom kann nur über R1 (22 Ohm, 1/2 W) und D1 (1N4001) fließen. Leuchtdiode LED1 und Vorwiderstand R2 (470 Ohm) dienen nur zur Kontrolle, ihr Betriebsstrom trägt nicht nennenswert zum Ladestrom bei.
Ein Entladestrom in umgekehrter Richtung kann nur über R1 und die in Reihe geschalteten Dioden D2-D6 (1N4448) fließen.

Die Reihenschaltung von 5 Siliziumdioden hat aber eine Schwellenspannung von immerhin 3,5 Volt. Ein Entladestrom kann überhaupt nur fließen, wenn die Momentanspannung an der Trafowicklung zusammen mit der Zellspannung besagte -3,5V überschreitet.
Im ausgeschalteten Gerät und in der Nähe der Nulldurchgänge fließt kein Lade- oder Entladestrom.

Somit ergeben sich beim Betrieb an einer sinusförmigen Wechselspannung unterschiedliche Tastverhältnisse für Lade-/Entladestrom, und zwar abhängig vom Verhältnis der aktuellen Zellenspannung zur (schaltungstechnisch festgelegten) Differenzspannung zwischen D1 und D2-D6, siehe Schemata:
Bei niedriger Zellenspannung (unter 1V) überwiegt eindeutig der Ladestrom, mit zunehmender Zellenspannung nimmt er im Verhältnis zum Entladestrom immer weiter ab, bis sich schließlich bei etwa 1,7 Volt (...das ist "zufälligerweise" die für Alkali-Akkus empfohlene Ladeschlussspannung...) ein Gleichgewichtszustand einstellt.

Im Prinzip ginge es noch einfacher, indem man die Parallelschaltung von D1 und D2-D6 durch eine einzige Zenerdiode 3,6V (nächsthöherer Normreihenwert) ersetzt. Auch diese Variante wurde getestet, aber schnell wieder verworfen. Wegen der höheren Leistungsdichte wird die ZD doch relativ heiß. Sie müsste daher für mindestens 1,3W Belastbarkeit ausgelegt sein, und das wird nicht mehr viel günstiger, als die Lösung mit 6 Einzeldioden.

Da die maximale Spannungsdifferenz zwischen D1 und D2-D6 eine feste Größe ist, funktioniert das Verfahren prinzipiell auch an einem Trafo mit höherer Effektivspannung, zum Beispiel 9 oder 12V. Allerdings würde das Wiederauffrischen damit nicht sehr viel schneller gehen, weil sich bei höherer Trafospannung die Flächen von Lade- und Entladestrom gleichermaßen vergrößern; ansteigen würde vor allem die thermische Verlustleistung insgesamt.

Ab zwei Zellen sollte man die Ladekreise über Kreuz anschließen, damit der Netztrafo möglichst symmetrisch belastet wird. In der Originalladeschaltung haben sie es genauso gemacht. Das Entladen einer Zelle trägt hier jeweils zum Ladestrom der anderen Zelle bei, und der Trafo erreicht einen etwas weniger schlechten Wirkungsgrad.

Theoretisch könnte man über die Batteriehalter einen direkten Kurzschluss der Sekundärwicklung fabrizieren. Zusätzlich zur (angeblich vorhandenen) Thermosicherung im Trafo erschien es mir angebracht, eine austauschbare Schmelzsicherung einzubauen. Auslösewert bei der vorliegenden Schaltung unter Verwendung eines 6V/5VA-Trafos: etwa 100mA pro Ladeschacht.
Der Niederspannungskreis wurde beim Prototyp mit 400mA/flink abgesichert. Mit anderen Trafos und/oder anders dimensionierten Vorwiderständen sollte man den ungefähren Auslösewert am besten experimentell ermitteln. Es versteht sich von selbst, dass man in eigenem Sicherheitsinteresse darauf achten sollte, dass die Belastung des Trafos auch mit der neuen Beschaltung im Rahmen des Zulässigen bleibt.

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Schemata

Bild 3: Lade-/Entlade-Stromflächen beim Alkali-Refresher in Abhängigkeit von der Zellenspannung (Trafo 6V AC, entspr. U_S=8,5V).  Links U_Z=0,5V, rechts  U_Z=1,7V

Angesichts von unverschämten Gehäusepreisen und zweifelhaften Batteriehaltern kann ich nur jedem, der ein Ladegerät für Standardbatterien bauen will, empfehlen: Holen Sie sich ein handelsübliches Billigladegerät für 5€ vom Grabbeltisch und bauen Sie's Ihren Wünschen entsprechend um! Da haben Sie ein schickes Gehäuse mit Netztrafo, praxistauglichen Batteriehaltern und ein paar anderen Teilen, die man sogar noch weiterverwenden kann.
Meine Aufbauvariante für das MW398-GS (erhältlich unter anderem bei [5]) ist in Bild 1 zu sehen.
Aus Gründen der mechanischen Stabilität habe ich die Original-Platine im Gerät belassen, weitgehend "entstückt" und unerwünschte Verbindungen auf der Leiterplatte ausgefräst. LEDs und Netztrafo des Originalgerätes wurden weiterverwendet. (Und darüber hinaus auch die Testschaltung mit Glühlämpchen und Umschalter sowie der in diesem Gerät separat angelegte 9V-Ladekreis - bitte nicht irritieren lassen.)
Aktuelle Anmerkung: Das Gerät wurde inzwischen von einigen Leuten nachgebaut und funktionierte auch dort in der erwarteten Weise. Die oben gezeigte Aufbauvariante für das MW398 muss nicht der Weisheit letzter Schluss sein... Beachten Sie auch, dass möglicherweise unterschiedliche Platinenversionen von diesem Gerät existieren. Maßgeblich ist immer der Stromlaufplan. Im Zweifelsfall kann eine "fliegende Verdrahtung" durchaus die bessere Variante darstellen. Lose Teile sollten dann mit Silikon oder Heißkleber fixiert werden.

Batterie-Strategie

• Die bekannten Tipps zu Alkali-Akkus haben sich auch beim Umgang mit den chemisch identischen Alkali-Primärbatterien bewährt: Zelle nur bis etwa minimal 1 Volt Zellspannung entladen, dann wiederauffrischen. (Viele Elektronikgeräte geben ohnehin schon bei 1,3...1,1 Volt Klemmenspannung auf.)
• Möglichst nur Zellen verwenden, die einen intakten und hochwertigen Einduck machen; empfehlenswert sind auslaufsichere, versiegelte Exemplare ("Industriebatterien").
• Bei ausgelaufenen oder hochohmig gewordenen Zellen bringt auch ein Wiederauffrischen nicht mehr viel...
• Erfolgreich wiederaufgefrischte Zellen mit Farbpunkten markieren; da bekommt man einen Überblick, wie oft die Dinger tatsächlich wiedergefrischt werden konnten.
• Unterschiedliche Hersteller, unterschiedliche Wiederauffrischbarkeit. Selbst unter vergleichbaren Bedingungen. Besonders negativ fielen bei meinen Versuchen die Produkte mit dem "Kupferkopf" durch. (Vermutlich chemische Additive, die beim einmaligen Gebrauch eine monstermäßige Leistungsausbeute ermöglichen, aber die Regenerierbarkeit drastisch verschlechtern. Pfui, D***CELL, pfui!)

Experimente

Dazu habe ich die meisten Exemplare der Größe Mignon aus öffentlichen Sammelbehältern bezogen. Diese Batterien waren also nach Ansicht ihrer Vorbesitzer "leer". Was die Leute so alles glauben...!

• Etwa 90% der Fundstücke hatten noch eine Leerlaufspannung von mindestens 1V.
• Diese Kandidaten wurden der 24-stündigen "Standardprozedur" mit dem beschriebenen Gerät unterzogen.
• Von den so behandelten Zellen erreichten etwa 3/4 (75%) wieder die Nennspannung von 1,5V. Der Rest brauchte eine längere Behandlung. Es gab nur wenige "Ausreißer", bei denen tatsächlich nichts mehr zu machen war.
• Probleme mit Überhitzung oder auslaufendem Elektrolyt gab es nicht einmal bei denjenigen Zellen, die letztlich unbrauchbar waren.
• Etwa 2/3 der erstmals wiederaufgefrischten Zellen waren nach der Prozedur wieder ganz normal belastbar.*)
• Die etwas schlapperen Exemplare können mitunter noch jahrelang in Kleinstverbrauchern, wie Wanduhren, Wecker, Multimeter usw. eingesetzt werden.

*) Von mir bisher nur "qualitativ" getestet, indem ich die Zellen in Verbrauchern mit mittlerem Strombedarf (Discman, Gameboy, LED-Lampe) weiterbenutzt habe. Ein Großteil der wiederaufgefrischten Zellen zeigte keinen Kapazitätsverlust gegenüber "Neuware". Mit diesen Exemplaren war ein mehrfaches Wiederauffrischen besonders gut möglich.


Ladezeiten

Beim Wiederauffrischen von Primärbatterien kann man nicht von Ladezyklen im eigentlichen Sinne sprechen. Man verzichtet ja bewusst auf eine Ausnutzung der vollen Kapazität, damit die elektrochemischen Vorgänge noch weitgehend umkehrbar bleiben und die Zelle anschließend umso besser wiederaufgefrischt werden kann. Außerdem halten es viele Hersteller für unnötig, ihre Primärbatterien mit einer realen Kapazitätsangabe auszuzeichnen. (Der Kunde soll die Batterie mit den leistungsstärksten Sprüchen kaufen und keine objektiven Vergleiche anstellen...)
Mit dieser dürftigen Datenbasis ist immerhin folgende Milchmädchenrechnung möglich: Davon ausgehend, dass die meisten Mignonzellen der unteren und mittleren Preisklasse unter realen Bedingungen so etwa 1000mAh liefern können, diese aber zwecks beabsichtigter Wiederauffrischung nur etwa zur Hälfte ausgenutzt werden, setze man für die Kapazität einer wiederaufzufrischenden Mignonzelle etwa 500mAh an. Mit maximal 30mA effektivem Ladestrom und unter Berücksichtigung von 40% Verlusten (C/14-Ladung) kommt man dann eben auf Mindest-Ladezeiten von:

Microzelle: 16 Stunden   -   Mignonzelle: 24 Stunden   -   Monozelle: 48-72 Stunden

Aber es kann auch mal schneller gehen... Im Zweifelsfall lieber öfter die tatsächliche Spannung messen. Beim Erreichen von 1,55 Volt ist die Zelle wieder "frisch".