So funktionieren Lithium-Ionen-Akkus

Zunächst müssen wir einen Blick in den Akku hinein wagen. Wie bei allen Batterien funktioniert das mit dem Strom so, dass Elektronen mit einem Umweg über Euer Smartphone von der einen zur anderen Seite fließen. Irgendwann reicht die Spannung im Akku nicht mehr aus und damit kommt der Fluss zum Erliegen. Dann muss der Akku an ein Netzteil mit höherer Spannung angeschlossen werden und die Ladung fließt wieder zurück.

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Wenn das in der Praxis so gut klappen würde wie in der Theorie, dann wäre alles wunderbar und wir hätten Akkus, die hundert Jahre lang gleich gut funktionieren. Leider spielen aber viele Störfaktoren eine wichtige Rolle dabei, diesem Plan in die Quere zu kommen.

Unruhe in der heilen Akku-Welt

Sammelpunkt der Lithium-Ionen eines aufgeladenen Akkus ist ein kristallines Gitter, meistens aus Graphit, am Minuspol. Dort werden die Ionen mit einem Elektron aus der Steckdose versehen und interkaliert (dem Pluspol wird indes ein Elektron entzogen), wodurch vermieden werden soll, dass sich die Lithium-Atome zu Kristallen verbinden. Letztere wären ungeladen und daher für den Stromfluss unspannend. Außerdem zerstören diese spitzen Kristalle das Graphitgitter und rauben damit anderen Li-Ionen Platz. Die Kapazität nimmt also ab.

Leider ist das Material auf Minus-Seite nicht sehr robust. Schäden treten besonders dann auf, wenn der Akku warm wird oder wenn er über eine bestimmte Spannung hinaus geladen wird. Denn dann nimmt die Teilchenbewegung der Ionen zu, beziehungsweise ihre Konzentration im Graphitgitter übersteigt einen kritischen Punkt. (Dann kann es auch zu den entzündlichen Kettenreaktionen kommen, die man gelegentlich auf YouTube findet.) Materialwissenschaftler beschäftigen sich mit dem Problem in der ganzen Welt, wie auch diese jüngste Studie aus New York zeigt.

Ist der Akku voll geladen, sollte seine Spannung bei rund 4,2 Volt liegen. Dies wird von einer Steuerungs-Elektronik genau überwacht. An dieser Elektronik erfolgte in den vergangenen Jahren einiges an Tweaking, mit dem die Lebensdauer einzelner Akku-Modelle vervielfacht werden konnte. Details dazu werden als Industriegeheimnisse geschützt, jedoch gibt es messbare Hinweise, dass die Lebensdauer der Akkus sich entscheidend über Höchst- und Tiefst-Spannung beeinflussen lässt (siehe unten). 

Am Pluspol gibt der Akku beim Entladen seinen Strom in den Smartphone-Stromkreis wieder ab. (Man beachte, dass Elektronen dem Strom entgegen fließen, daher aus dem Minuspol kommen.) In welchem Tempo er dies tun kann, hängt von seiner Leistungsdichte ab (angegeben in Kilowatt / Kilogramm). Damit verbunden ist auch die Fähigkeit des Akkus, entsprechend schnell aufgeladen zu werden. Das Ende des Entladevorgangs (Akku ist “leer”) wird ebenfalls von der Elektronik festgelegt. In der Regel sinkt die Spannung nicht weit unter drei Volt ab, da ansonsten das Material auf der Plus-Seite Schäden nimmt.

Warum hält mein Akku jetzt aber nur einen Tag?

Diese Frage lässt sich so einfach gar nicht beantworten, da hier viele Faktoren eine Rolle spielen. Zum einen werden die Materialien für Kathode und Anode (aber auch für den Separator, die Trennschicht zwischen den Polen) fortwährend weiterentwickelt, damit Energie- und Leistungsdichte steigen und ihr Verschleiß abnimmt. Um etwa die Zahl der Ionen zu erhöhen, die im Minuspol gespeichert werden können, (um also die Energiedichte zu steigern) wird derzeit intensiv an weiteren Materialien geforscht, die das bisher mehrheitlich eingesetzte Graphit ablösen sollen.

Solche Entwicklungen gehen allerdings recht schleppend voran. Das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung hat zwar eine Roadmap für die kommenden zwei Dekaden angefertigt, doch wann die für Elektrofahrzeuge bestimmten Innovationen im Smartphone Einzug halten werden, steht auf einem anderen Papier.

Verfall messen mit der Stoppuhr

Gemessen wird der Energie-Eintrag in dem Akku in Milliamperestunden, mAh. Der Strom, den ich per Ladegerät in den Akku gebe, wird wiederum in mA gemessen. Wenn man will, kann man also die Energiedichte des Akkus mit den Angaben auf dem Ladegerät und der Stoppuhr nachmessen: Wenn ich ein Ladegerät an mein Nexus 4 anschließe, das mit 1 A lädt, dann habe ich nach anderthalb Stunden 1,5 Ah Ladung in den Minuspol geschoben. Wenn ich also nach einem Jahr merke, dass mein Akku bereits nach 45 Minuten “voll” ist, dann weiß ich, dass er in Wirklichkeit zu 50 Prozent kaputt ist.

Was man dagegen tun kann? Da die Hersteller genauso auf die Innovationen auf Hardware-Seite warten, wie ihre Kunden, (HTC formuliert es treffend: “Das Moorsche Gesetz trifft auf Akkus nicht zu”) geben sie fast ausschließlich Tipps, wie man Software-seitig der Steckdosen-Hatz Einhalt bieten kann.

• Sony
• Samsung
• HTC

Wie man merkt, sind die Tipps der Hersteller relativ ähnlich.

Guter Rat ist Mangelware

Hardwareseitig rät das durch die Industrie gesponserte Online-Portal Battery University dazu, den Akku nicht bei jedem Zyklus zu 100 Prozent aufzuladen. Messungen haben ergeben, dass die Zyklenzahl vervierfacht werden kann, wenn man stattdessen den Akku jedes Mal nur zu 75 Prozent lädt. In demselben Zuge hat man auch gemessen, dass die Zahl der möglichen Entladezyklen steigt, wenn der Akku nach einer partiellen Entladung (z.B. halb voll) wieder aufgeladen wird, weil man dabei tiefes Entladen vermeidet.

In weiteren Teilen der Serie wollen wir Euch mitteilen, welche Innovationen auf dem Akku-Markt zu erwarten sind. Auch erwarten wir Informationen von Samsung, LG, HTC und Co.

Quelle: HowStuffWorks, Battery University, ScienceDaily