Wie funktionieren Nickel-Cadmium-Batterien: Zusammensetzung, Eigenschaften und Betrieb

Nickel-Cadmium (NICD) -Batterien sind zuverlässige, langlebige Stromquellen, die in vielen alltäglichen Geräten wie Spielzeug, Taschenrechnern und Elektrowerkzeugen verwendet werden.Diese Batterien erarbeiten chemische Reaktionen zwischen Nickel und Cadmium und erzeugen eine konstante Spannung in einem kompakten und leichten Design.Sie sind langlebig, können häufige Aufladungen bewältigen und bei Bedarf hohe Leistung liefern.Sie haben jedoch einige Nachteile, wie z. B. Umweltrisiken aufgrund von Cadmium.Dieser Leitfaden deckt alles ab, was Sie über NICD -Batterien wissen müssen, einschließlich ihrer Arbeit, deren Vorteile und Nachteile, praktischen Verwendungen und Tipps zur Wartung und Reparatur.

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Abbildung 1. Nickel-Cadmium-Batterien

Überblick über Nickel-Cadmium-Batterien

Eine Nickel-Cadmium-Batterie (NICD) ist ein wiederaufladbares Energiespeichergerät, das durch chemische Reaktionen zwischen Nickel- und Cadmium-Elektroden eine DC-Spannung (Gleichstrom) erzeugt.Jede Zelle erzeugt eine Nennspannung von ungefähr 1,2 Volt.Durch die Verbindung mehrerer Zellen in Reihe können Spannungen im Bereich von 3,6 bis 4,8 Volt erreicht werden, wodurch die NICD -Batterien für verschiedene Anwendungen vielseitig vielseitig sind.

Die NICD -Batterien sind für ihr leichtes und tragbares Design bekannt und sind eine bevorzugte Wahl für Geräte wie Spielzeug, Taschenrechner und kleine Motoren.Ihr Betrieb stützt sich auf einer Redoxreaktion, die durch einen Trennzeichen erleichtert wird, der den Ionenaustausch ermöglicht und gleichzeitig einen direkten Kontakt zwischen den Elektroden verhindert.Dieses Design sorgt für eine effiziente Energieerzeugung in kompakter Form.Im Laufe der Zeit haben Fortschritte beim NICD -Batterie -Design ihre Effizienz und Tragbarkeit bei der Leistung moderner elektronischer Geräte verbessert.

Nickel-Cadmium-Batteriekonstruktion

Abbildung 2. Konstruktion von Nickel-Cadmium-Batterien

Der Bau einer NICD -Batterie umfasst Schichtkomponenten, die eine sichere und effiziente Energieerzeugung ermöglichen.Im Kern liegt die Nickeloxidschicht und dient als Kathode, während Cadmium als Anode fungiert.Zwischen diesen Schichten befindet sich ein in Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) getränktes Trennzeichen, was den ionischen Austausch erleichtert und gleichzeitig einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden verhindert.

Zusätzliche Komponenten, einschließlich Isolationsring, Dichtung und äußeres Gehäuse, sorgen für die strukturelle Integrität und Sicherheit.Das äußere Gehäuse schützt die inneren Komponenten vor physikalischen Schäden und enthält die chemischen Reaktionen.Isolationskomponenten verhindern Kurzschaltungen, während das Separator Hydroxidionen liefert, die für die elektrochemische Reaktion kritisch sind.Zusammen sorgen diese Schichten gewährleisten eine zuverlässige Spannungserzeugung und einen sicheren Betrieb.

Lade -NICD -Batterien

Das Laden von NICD -Batterien beinhaltet die sorgfältige Steuerung des Stroms, um die Effizienz zu maximieren und die Batterielebensdauer zu verlängern.Die Laderaten reichen von 0,05 ° C bis über 1 ° C, wobei der Wert „C“ die Kapazität der Batterie in Ampertenstunden darstellt.

Für eine genaue Ladungsabschluss werden die Spannungs-Dip-Detektion (-δV) und die Temperaturüberwachung bevorzugt.Schnelles Laden bei Preisen wie 1C kann innerhalb einer Stunde eine Effizienz von fast 91% erreichen.Im Gegensatz dazu reduziert eine langsamere Ladung bei 0,1 ° C die Effizienz auf 71% und erfordert ungefähr 14 Stunden.Ultraschnelle Ladegeräte nutzen die Fähigkeit der Batterie, Energie während der ersten 70% des Ladungsprozesses ohne Überhitzung zu absorbieren, und absolvieren den Zyklus mit einer Trickladung, um die volle Kapazität aufrechtzuerhalten.

Nickel-Cadmium-Batteriegleichungen

Reaktion an der Kathode

In der Kathode kombiniert Nickel Oxyhydroxid (NIOOH) mit Wasser (H₂O) und Elektronen, um Nickelhydroxid (Ni (OH) ₂) und Hydroxidionen (OH⁻) zu bilden.Dieser Prozess spielt eine zentrale Rolle bei der Stabilisierung der Batteriespannung während der Entladung, indem die Bewegung von Elektronen in die Kathode erleichtert wird.

Reaktion an der Anode

Bei der Anode reagiert Cadmium (CD) mit Hydroxidionen (OH⁻), um Cadmiumhydroxid (Cd (OH) ₂) zu produzieren und Elektronen zu entlassen.Diese Elektronen reisen durch den externen Stromkreis und liefern Strom an verbundene Geräte.

Gesamtzellreaktion

Diese Gleichung kombiniert die Reaktionen sowohl an der Kathode als auch an der Anode.Nickel Oxyhydroxid (NiooH), Cadmium (CD) und Wasser (H₂O) interagieren, um Nickelhydroxid (Ni (OH) ₂) und Cadmiumhydroxid (CD (OH) ₂) zu produzieren.Die Reversibilität der Reaktion ermöglicht es der Batterie, effektiv aufzuladen und zu entladen.

Merkmale der Nickel-Cadmium-Batteriespannung

Nickel-Cadmium (NICD) -Batterien besitzen eine einzigartige Reihe von Funktionen, die sie für verschiedene Anwendungen geeignet machen.Diese Merkmale umfassen ihren Betriebstemperaturbereich, Toxizitätsbedenken und Spannungseigenschaften.Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse dieser Aspekte.

Temperaturbereich von Nickel-Cadmium-Batterien

NICD -Batterien sind so ausgelegt, dass sie in bestimmten Temperaturbereichen effizient arbeiten.Während des Ladungsprozesses können sie zwischen 0 ° C und 45 ° C funktionieren, während sie während der Entladung von -20 ° C und 65 ° C betrieben bleiben.Das Überschreiten dieser Temperaturschwellen ist ein erhebliches Risiko, einschließlich einer potenziellen Explosion aufgrund des Innendruckaufbaus.Die Aufrechterhaltung der Batterie innerhalb dieser Temperaturgrenzen ist entscheidend, um die Sicherheit zu gewährleisten und ihre Lebensdauer zu verlängern.

Toxizität von Nickel-Cadmium-Batterien

Die in NICD -Batterien verwendeten Materialien, insbesondere Cadmium, sind sehr toxisch und stellen für Menschen schwere gesundheitliche Risiken dar.Cadmium, ein Schwermetall, kann die biochemischen Prozesse im Körper stören, wobei Konzentrationen von nur 1 Mikrogramm pro Liter die menschliche Gesundheit beeinflussen.Es wirkt sich hauptsächlich auf das Verdauungssystem aus und kann zu langfristigen gesundheitlichen Problemen führen, wenn sie in erheblichen Mengen aufgenommen oder eingeatmet werden.Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Nickel, ein weiterer Bestandteil von NICD -Batterien, das Atmungssystem nachteilig beeinflusst, ähnlich wie die schädlichen Auswirkungen von Blei.Die toxische Natur dieser Materialien erfordert eine sorgfältige Handhabung und ordnungsgemäße Entsorgung von NICD -Batterien, um Umwelt- und Gesundheitsrisiken zu mildern.

Spannungs- und Energieeigenschaften

Jede NICD -Zelle liefert typischerweise eine Nennspannung von 1,2 V. Um höhere Spannungen zu erreichen, sind mehrere Zellen je nach Anwendungsanforderungen in Reihe oder parallelen Konfigurationen verbunden.NICD -Batterien bieten auch bemerkenswerte Energie- und Leistungsmerkmale:

• Energiedichte: NICD-Batterien bieten eine Energiedichte von ungefähr 50-60 WH/kg, was höher ist als Nickel-Eisen-Batterien, fällt jedoch im Vergleich zu Nickel-Zinc- und Nickel-Metal-Hydrid-Batterien ab.

• Spezifische Leistung: Die spezifische Leistung von NICD-Batterien beträgt etwa 200 W/kg und platziert sie über Nickel-Eisen-Batterien, jedoch unter Nickel-Zink- und Nickel-Metall-Hydrid-Batterien.Zum Vergleich liegen Nickel-Metall-Hydridbatterien zwischen 170 W/kg und 1000 W/kg, während Nickel-Eisen-Batterien etwa 100 W/kg liefern.

• Energieeffizienz: NICD-Batterien erzielen eine Energieeffizienz von 70 bis 75%, was den Nickel-Eisen-Batterien, jedoch etwas niedriger als Nickel-Metall-Hydrid-Batterien (70-80%) und Nickel-Zink-Batterien überlegen ist.Nickel-Eisen-Batterien arbeiten normalerweise mit einer Energieeffizienz von 60-70%.

Die Kombination dieser Merkmale - die Konsistentspannungsleistung, eine angemessene Energiedichte und die zuverlässige Effizienz - sorgt für eine praktische Wahl für Anwendungen, die eine moderate Energiespeicherung und eine zuverlässige Leistung erfordern.

Nickel-Cadmium-Batterie-Typen

NICD -Batterien sind in Standardgrößen erhältlich, wie z. Aaa, aa, a, cs, c, d und f jeweils an, die unterschiedliche Abmessungen und Ausgangsspannungsniveaus bieten.Diese Größen bestimmen ihre Eignung für bestimmte Geräte oder Systeme.Beispielsweise werden aufgrund ihres kompakten Designs und ihrer leichten Natur kleinere Größen wie AAA und AA häufig in tragbaren Elektronik wie Fernbedienungen und Digitalkameras verwendet.Im Gegensatz dazu werden größere Größen wie D und F für industrielle Anwendungen oder Elektrowerkzeuge mit hoher Kapazität bevorzugt, in denen eine größere Energiespeicherung und längere Betriebszeiten erforderlich sind.

Die Form der NICD -Batterien variiert auch je nach beabsichtigter Verwendung.Während viele NICD-Batterien in zylindrischer Form erhältlich sind, was ideal für einheitliche Energieverteilung und einfache Handhabung ist, sind einige mit einem rechteckigen Kastengehäuse ausgestattet, um spezifische Konfigurationen oder Gehäuse anzupassen.Diese Entwurfsvariationen stellen sicher, dass NICD -Batterien unterschiedliche Anwendungsanforderungen erfüllen können und gleichzeitig die Effizienz und Zuverlässigkeit aufrechterhalten.Zusätzlich zu Größe und Form unterscheiden sich die Ausgangsspannungsparameter für jede Größe und ermöglicht maßgeschneiderte Energielösungen für verschiedene Geräte.Diese Spannungsspezifikationen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Kompatibilität und Leistung der Batterie innerhalb eines bestimmten Systems.

Durch das Angebot einer Reihe von Größen und Formen bieten NICD -Batterien Flexibilität und Anpassungsfähigkeit über ein breites Nutzungsspektrum.Von der Leistung kleiner Haushaltsgeräte bis hin zur Unterstützung von Industriesystemen unterstreicht ihre Vielseitigkeit ihre Bedeutung für die moderne Technologie.

Vor- und Nachteile der Nickel-Cadmium-Batterie

Nickel-Cadmium (NICD) -Batterien sind für ihre einzigartigen Vorteile weithin anerkannt, stellen aber auch einige Herausforderungen.Das Verständnis dieser Stärken und Einschränkungen hilft bei der Bestimmung ihrer Eignung für verschiedene Anwendungen.

Vorteile

Einer der bemerkenswertesten Vorteile von NICD -Batterien ist die Fähigkeit, hohe Strömungen zu liefern.Dies macht sie zu einer hervorragenden Wahl für Geräte, die Stromausbrüche erfordern, wie Elektrowerkzeuge und Notfallbeleuchtungssysteme.Darüber hinaus sind NICD -Batterien sehr widerstandsfähig gegen Überladen, was ihre Zuverlässigkeit in Szenarien verbessert, in denen eine präzise Ladungsüberwachung möglicherweise nicht möglich ist.Ein weiterer bedeutender Vorteil ist ihre Haltbarkeit, da sie bis zu 500 Ladezyklen bearbeiten können, um die langfristige Benutzerfreundlichkeit und die Kostenwirksamkeit für Benutzer zu gewährleisten, die im Laufe der Zeit zuverlässige Stromlösungen suchen.

Nachteile

Trotz ihrer Vorteile haben NICD -Batterien Nachteile, die ihre Attraktivität in bestimmten Kontexten einschränken.Das Hauptanliegen ist die Verwendung von Cadmium, einem giftigen Metall, das ernsthafte Umweltrisiken darstellt.Eine unsachgemäße Entsorgung dieser Batterien kann zu Kontaminationen führen, was ihre Umwelteinflüsse zu einem kritischen Problem macht.Darüber hinaus haben NICD -Batterien einen niedrigeren Temperaturwiderstand im Vergleich zu einigen anderen Batteriestypen, wodurch die Leistung unter extremen Temperaturbedingungen, wie z. B. sehr heiße oder kalte Umgebungen, verringert werden kann.

Durch das Abwägen dieser Vor- und Nachteile können Benutzer fundierte Entscheidungen über den Einsatz von NICD -Batterien auf der Grundlage ihrer spezifischen Bedürfnisse, Betriebsbedingungen und Umweltüberlegungen treffen.

Arbeitsprinzip der Nickel-Cadmium-Batteriespannung

Abbildung 3. Schematisches Diagramm des Ni-CD-Batterie-Energiespeichersystems

Die Funktionalität einer Nickel-Cadmium (NICD) -Katterie basiert in den elektrochemischen Reaktionen zwischen seinen Schichten, die eine DC-Spannung (Gleichstrom) erzeugen.Diese Spannung wird durch zwei verschiedene Klemmen genutzt: Anode und Kathode.Die Bau- und Materialeigenschaften der Batterie arbeiten zusammen, um diese Reaktionen zu erleichtern und die für den Betrieb erforderliche Potentialdifferenz aufrechtzuerhalten.

Die Cadmiumschicht bildet den Anodenanschluss und dient aufgrund der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit von Cadmium als kritische Komponente.Diese Schicht wird während der Batteriebaugruppe an der Basis platziert.Über der Cadmiumschicht liegt die Separatorschicht, die eine Schlüsselrolle bei der elektrochemischen Reaktion spielt.Seine primäre Funktion besteht darin, Hydroxidionen (OH⁻) bereitzustellen, die für die Reaktionen sowohl bei Anode als auch an der Kathode unerlässlich sind.Um dies zu gewährleisten, ist die Trennschicht in Wasser vorgezogen und liefert den erforderlichen H₂O für den Reaktionsprozess.

Am Kathodenanschluss interagiert die Nickelschicht mit den Hydroxidionen des Separators.Diese Reaktion erzeugt Nickeloxidhydroxid (NIOOH) und setzt zusätzliche OH⁻ -Ionen als Nebenprodukte frei.Auf der Anodenseite reagiert Cadmium mit den gelieferten OH⁻ -Ionen und bildet Cadmiumhydroxid (CD (OH) ₂ ₂), während sie Elektronen freisetzen.Die Trennschicht sorgt für eine stetige Versorgung mit Hydroxidionen, um diese Reaktionen aufrechtzuerhalten, die für die Energieleistung der Batterie von grundlegender Bedeutung sind.

Die allgemeine elektrochemische Reaktion erzeugt Wasser als eines seiner Nebenprodukte.Der Prozess stellt auch sicher, dass die im Anodenbilanz erzeugten Elektronen mit den in der Kathode verzehrten Elektronen und das elektrische Gleichgewicht des Systems aufrechterhalten werden.Der Höhepunkt dieser Reaktionen spiegelt sich in der dritten Gleichung wider, in der Nickel, Cadmium und Wasser als Nickelhydroxid und Cadmiumhydroxid als Endprodukte bilden.

Die resultierenden chemischen Reaktionen erzeugen einen Elektronenfluss, wodurch eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen erzeugt wird.Diese Potentialdifferenz ist, was angeschlossene Geräte betrifft, sodass die Batterie als zuverlässige DC -Spannungsquelle fungiert.Durch die sorgfältige Verwaltung der Materialeigenschaften und die Gewährleistung optimaler Reaktionen liefern Nickel-Cadmium-Batterien effizient Strom für eine Vielzahl von Anwendungen.

Nickel-Cadmium-Batterieanwendungen

Nickel-Cadmium (NICD) -Batterien finden aufgrund ihrer Langlebigkeit, ihrer hohen Stromausgabe und der zuverlässigen Leistung eine weit verbreitete Verwendung in verschiedenen Anwendungen.Diese Batterien eignen sich besonders für Stromversorgungsgeräte, die eine konsistente Energieversorgung und eine moderate Kapazität erfordern.Zu den allgemeinen Anwendungen gehören Spielzeug, bei denen ihre leichte und kompakte Größe es ideal für tragbare Designs machen.Sie werden auch in kleinen DC -Motoren weit verbreitet, wo sie stetige Leistung für einen effizienten Betrieb bieten, z. B. in Handwerkzeugen oder kleinen Geräten.

Darüber hinaus werden NICD -Batterien in Taschenrechnern, Ventilatoren und anderen Haushaltselektronik verwendet, wo ihre Lebensdauer und Fähigkeit des langen Zyklus, häufige Aufladungen zu bewältigen, einen erheblichen Vorteil bieten.Computer und andere Sicherungssysteme können auch in Situationen auf NICD -Batterien beruhen, die während der Leistungsunterbrechungen zuverlässige Energiespeicher und -abgabe erfordern.

Reparaturmethoden für Nickel-Cadmium-Batterien

Durch die Reparatur von Nickel-Cadmium-Batterien (NICD) -Batterien werden spezifische Schritte zur Wiederherstellung ihrer Funktionalität zurückzuführen, insbesondere wenn die Batterien Leistungsverschlechterungen oder Spannungsabfälle erleben.Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Anleitung zum Reparieren und Aktivieren von NICD-Batterien am Lebensende:

Schritt 1: Erstaktivierung unter Verwendung einer 12 -V -Netzteilversorgung

Die Standardspannung einer NICD -Batterie beträgt 1,2 V.Verwenden Sie zur Wiederbelebung ein 12 -V -Desktop -Computer -Stromversorgungsversorgung zur Aktivierung.

• Bereiten Sie die Stromversorgung vor: Kurz gesagt, die grünen und schwarzen Drähte des Netzteils ermöglichen eine 12 -V -Ausgabe.Schließen Sie den schwarzen Draht mit dem negativen Anschluss der Batterie an.Berühren Sie den gelben Draht kurz am positiven Anschluss der Batterie.

• Starten Sie die Stromversorgung neu: Die Stromversorgung kann einen Kurzschluss erkennen und den 12 -V -Ausgang stoppen.Trennen Sie den Kurzfilm zwischen den grünen und schwarzen Drähten und verbinden Sie sie dann wieder, um die 12 -V -Ausgabe wiederherzustellen.

• Wiederholen Sie den Vorgang: Setzen Sie die obigen Schritte fort, bis die Batteriespannung auf einige Volt steigt, gemessen mit einem Multimeter.Sobald die Batterie Anzeichen einer Spannungswiederherstellung zeigt, legen Sie sie beiseite und gehen Sie mit der nächsten Batterie fort, die Aktivierung erfordert.

Schritt 2: Laden mit einem Handy -Ladegerät aufladen

Verwenden Sie nach der ersten Aktivierung ein 5 -V -Handy -Ladegerät, um mehrere Batterien gleichzeitig aufzuladen.

• Schließen Sie das Ladegerät an: Laden Sie drei NICD -Batterien in Serie mit der 5 -V -Ausgabe des Ladegeräts auf.Erlauben Sie das Laden etwa 8 Stunden.

• Spannung überwachen: Verwenden Sie ein Multimeter, um die Spannung jeder Batterie regelmäßig zu messen.Stellen Sie sicher, dass die Spannung jeder Batterie 1,2 V erreicht oder überschreitet.

• Bei Bedarf Reaktivierung: Wenn eine Batterie eine erheblich niedrigere Spannung als die anderen hat, wiederholen Sie Schritt 1, um sie vor dem erneuten Aufladen zu reaktivieren.

Schritt 3: Entladungs- und Spannungsausgleich

Verwenden und überwachen Sie die reparierten Batterien, um sicherzustellen, dass sie die konsistenten Spannungsniveaus aufrechterhalten.

• Entladen der Batterien: Verwenden Sie die Batterien voll, bis sie vollständig entladen sind.

• Spannungsniveaus überprüfen: Messen Sie die Spannung jeder Batterie mit einem Multimeter.Identifizieren Sie eine Batterie mit einer besonders niedrigen Spannung oder einem Spannungsabfall auf Null.

• Aktivierungsschritte erneut anwenden: Verwenden Sie die 12 -V -Aktivierungsmethode aus Schritt 1, um solche Batterien wiederherzustellen.

• Wiederholen Sie den Vorgang: Wiederholen Sie die Lade-, Entladungs- und Reaktivierungsschritte mehrmals.Dies hilft, die Spannungsniveaus auszugleichen und stellt sicher, dass alle Batterien auf optimale Leistung zurückgeführt werden.

Abschluss

Nickel-Cadmium-Batterien sind eine zuverlässige Stromquelle für viele Geräte, von Spielzeug bis hin zu Elektrowerkzeugen.Sie sind langlebig, laden leicht auf und liefern eine stetige Leistung.Sie haben jedoch Nachteile wie die Umweltrisiken von Cadmium.Wenn Sie verstehen, wie diese Batterien funktionieren, ihre Vorteile und wie Sie sich um sie kümmern können, können Sie sie effektiver einsetzen und länger dauern.Mit dem richtigen Ansatz können NICD -Batterien eine zuverlässige und nützliche Leistungslösung bleiben.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Wofür wird eine Nickel-Cadmium-Batterie verwendet?

Nickel-Cadmium-Batterien (NICD oder NICAD) sind wiederaufladbare Stromquellen, die häufig in tragbaren Geräten verwendet werden, die eine konsistente Stromversorgung erfordern.Typische Anwendungen umfassen tragbare Computer, Bohrer, Camcorder und andere kleine batteriebetriebene Geräte.Die Konstruktion der Batterie verwendet Nickeloxidhydroxid und Metallcadmium als Elektroden, gepaart mit einem alkalischen Elektrolyten aus Kaliumhydroxid.Diese Materialien ermöglichen eine stabile Leistung und eine langlebige Leistung, wodurch die NICD-Batterien für Werkzeuge und Geräte geeignet sind, die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit erfordern.

2. Wie lange dauern Nickel-Cadmium-Batterien?

NICD -Batterien dauern in der Regel zwischen 15 und 20 Jahren, selbst unter harten Umgebungsbedingungen, bei denen sie üblicherweise für Backup -Stromversorgungssysteme verwendet werden.In einigen Fällen übersteigen diese Batterien ihre erwartete Lebensdauer um mehr als 35%und bieten außergewöhnliche Haltbarkeit und Wert.Regelmäßige Wartungs- und ordnungsgemäße Ladepraktiken können die Betriebslebensdauer der Batterie weiter verlängern und über Jahrzehnte zuverlässige Leistung gewährleisten.

3. Wie lädt man eine wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Batterie auf?

Die kostengünstigste Methode zum Aufladen einer NICD-Batterie ist die Verwendung einer konstanten Stromrate von C/10 (10% der Nennkapazität der Batterie pro Stunde) 16 Stunden.Zum Beispiel sollte eine 100 -mAh -Batterie 16 Stunden lang bei 10 mA aufgeladen werden.Dieser Ansatz ist einfach und erfordert keine spezialisierten Sensoren für das Ende der Gebühr, um eine vollständige Ladung zu gewährleisten, während sie Überladen verhindern.Die ordnungsgemäßen Ladepraktiken tragen dazu bei, die Leistung der Batterie aufrechtzuerhalten und die Lebensdauer verlängern.