Lithium-Ionen-Akkus im Fokus

Lithium-Ionen-Akkus im Fokus
15 Okt 2019

Der Nobelpreis für Chemie ging 2019 an die Entwickler des Lithium-Ionen-Akkus. Höchste Zeit die kleinen Stromspender, die unsere tägliche Elektronik am Laufen halten, unter die Lupe zu nehmen.

Smartphones, Laptops, Elektroautos – alle diese Gegenstände wären ohne Lithium-Ionen-Akkus kaum denkbar. Natürlich gibt es auch andere Stromspeicher, diese sind jedoch aufgrund ihres Gewichts oder ihrer Haltbarkeit nicht für den mobilen Einsatz wie wir ihn kennen geeignet. Daher wurden die Entwickler des Lithium-Ionen-Akkus mit dem Nobelpreis gewürdigt, denn die Stromspeicher haben die Mobilität von Technik und damit unseren Umgang mit ihr stark beeinflusst.

Obwohl Lithium-Ionen-Akkus für uns alltäglich sind, gibt es noch einige Mythen und Unklarheiten über den richtigen Umgang mit ihnen. Denn wenig ist für viele in unserer heutigen Zeit ärgerlicher, als wenn unseren technischen Geräten der Saft ausgeht. Lange Zeit wurde vor dem Memory Effekt in Akkus gewarnt, bis vor einigen Jahren Entwarnung gegeben wurde. Doch dies bedeutet nicht, dass Akkus unempfindlich gegen äußere Einflüsse und schlechte Handhabung wären. Daher soll im Folgenden auf Ratschläge zum Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus eingegangen werden.

Gibt es den Memory Effekt bei Lithium-Ionen-Akkus überhaupt?

Doch zuerst zurück zum Memory Effekt. Der Memory Effekt gehörte lange Zeit zu den Schreckgespenstern der Akkutechnologie. Für Lithium-Ionen-Akkus wurde dieser Effekt erst ausgeschlossen, dann doch nachgewiesen und nun wieder für unbedeutend zurückgewiesen. Aus diesem Grund soll zuerst dem Memory Effekt auf den Grund gegangen werden, bevor auf die wichtigsten Faktoren für ein langes Akkuleben eingegangen wird.

Der Memory Effekt stammt aus einer Zeit, als vorrangig Nickel-Cadmium (NiCd)-Akkus verwendet wurden. Die NASA beschrieb den Effekt erstmals in den 1960er Jahren, den sie in ihren Satelliten beobachtete. Die Akkus in Satelliten wurden durch den schnellen und gleichlangen Tag/Nachtwechsel im Orbit stets im selben Maße Teilentladen und „merkten“ sich diesen Ladenstand nach einer Weile. Bald konnten die Akkus nicht mehr über diesen „gemerkten“ Ladestand hinaus geladen oder entladen werden. Der Effekt begründet sich in der chemischen Struktur des Cadmiums, welches durch die fehlenden Entladevorgänge zu größeren Kristallen anwächst und hierdurch weniger Strom abgeben kann. Durch das vollständige Entladen eines Nickel-Cadmium-Akkus kann dieser Memory Effekt repariert werden.

Mittlerweile sind Nickel-Cadmium-Akkus kaum noch verbreitet. Dies ist einerseits mit dem hohen Gewicht der Akkus begründet, aber hauptsächlich durch die Gefährlichkeit des Ausgangsmaterials. Da Cadmium zu den giftigen Schwermetallen gehört und gesondert entsorgt werden muss, besteht mit wenigen Ausnahmen für Sonderfälle mittlerweile ein EU-weites Verbot für das Inverkehrbringen dieses Akkutyps. Stattdessen werden seit den 1990er Jahren Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Diese Akkus funktionieren auf Basis von Lithium-Verbindungen mit Cobalt-, Nickel-, Mangan- oder Eisen-Ionen. Durch die Vielzahl von unterschiedlichen Materialkombinationen ist es allerdings schwierig allgemeingültige Aussagen für Lithium-Ionen-Akkus zu treffen. Die gebräuchlichsten Typen sind die Lithium-Cobaltdioxid-Akkus, Lithium-Mangandioxid-Akkus und Lithium-Eisenphosphat-Akkus.

Langezeit galt, dass Lithium-Ionen-Akkus durch ihre chemische Struktur nicht vom Memory Effekt betroffen sein können. Von Forschern des Paul Scherrer Instituts in der Schweiz und des Toyota-Forschungslabors in Japan wurde jedoch bei Lithium-Eisenphosphat-Akkus ein Effekt festgestellt, der dem Memory Effekt ähnelt. Dieser ist jedoch minimal und kann durch Anpassungen der Ladesoftware ausgeglichen werden. Somit hat der Memory Effekt für Nutzer keinerlei Bedeutung.

Tipps zur Akkupflege

Zwar hat der Memory Effekt keinerlei praktische Bedeutung für moderne Lithium-Ionen-Akkus, dies bedeutet jedoch nicht, dass sie unempfindlich gegen Umwelteinflüsse sind. Wie die Akkus gepflegt werden sollen, hängt von ihrem chemischen, aber auch physikalischen Aufbau ab. Obwohl sich hier große Unterschiede ergeben können, gibt es prinzipielle Tipps, die das Leben eines Akkus deutlich verlängern können.

Akkus verlieren ihre Kapazität durch Oxidationsprozesse innerhalb der Zellen, die nicht rückgängig gemacht werden können. Um diese chemischen Prozesse möglichst gering zu halten, sollten Temperaturen über 40° C und vollständiges Be- und Entladen vermieden werden. Ein zu schnelles be- und entladen kann ebenfalls negative Auswirkungen auf die Akkuhaltbarkeit haben. Beim schnellen Laden müssen höhere Spannungen angelegt werden, die zu einem höheren Stromfluss und damit zu einer größeren Wärmeentwicklung führen. Beim Entladen sollte ebenfalls darauf geachtet werden, dass der Prozess nicht allzu schnell abläuft. Durch die Überwindung von chemischen Widerständen wird beim schnellen Entladen ebenfalls Hitze freigesetzt, die dem Akku schadet.

Mittlerweile werden Lithium-Ionen-Akkus von vielen Herstellern für ein schnelles Be- und Entladen optimiert. Diese können dann ohne Schäden mit höheren Spannungen geladen werden. Da diese Bauweise größere Elektroden voraussetzt, verringert sich allerdings gleichzeitig die Kapazität bei gleicher Bauform. Hier müssen die Hersteller zwischen Laufzeit und Ladegeschwindigkeit abwägen. Dies ist einer der Gründe, warum zurzeit die Akkukapazität bei Smartphones kaum ansteigt, dafür aber schnellere Ladezeiten erreicht werden.

Beim Lagern eines Akkus gilt ein Ladestand von etwa 15 % als ideal. So kann eine vollständige Selbstentladung für gewöhnlich umgangen werden. Zusätzlich sollten die Akkus kühl, aber nicht kalt gelagert werden.

Auch Hersteller sind an der Akkupflege interessiert

Da lange Akkulaufzeiten und eine gute Haltbarkeit der Stromspeicher mittlerweile ein Kaufkriterium darstellen, sind immer mehr Hersteller an einer Akkupflege interessiert. Aus Sicht der Hersteller lassen sich besonders die Ladevorgänge optimieren.

Da Lithium-Ionen-Akkus ohnehin mit einer speziellen und auf den Akku angepassten Ladeelektronik ausgestattet sind, wird zuerst die Ladezeit angepasst. Da der Ladeprozess bei Akkus nicht linear verläuft, sondern gegen Ende des Ladevorgangs höhere chemische Widerstände überwunden werden müssen, sollten die letzten 20 % eines Akkus noch behutsamer geladen werden. Hier greift bei vielen Geräten die Ladesteuerung ein, die den Ladevorgang verlangsamt.

Auch das Halten eines 100 % Ladestandes wirkt sich negativ auf die Akkuhaltbarkeit aus. Es sollte daher vermieden werden, dass Akkus ohne Nutzung auf diesem Ladestand gehalten werden. Aus diesem Grund geht Apple soweit, dass unter iOS 13 Akkus auf 80 % des Ladestandes gehalten werden, bis das System aus der Nutzergewohntheit erkennt, dass der Akku demnächst benötigt wird. Erst kurz vor der erwarteten Nutzung lädt das iPhone auf 100 %.

Da bei Elektrofahrzeugen besonders große Akkus verbaut werden, die eine lange Lebensdaueraufweisen sollen, greifen hier die Hersteller ebenfalls in den Ladeprozess ein. Viele Elektrofahrzeuge lassen sich nicht vollständig aufladen. Die Elektronik gibt lediglich 80 % der Kapazität zum Laden frei, um die Haltbarkeit der Akkus zu verlängern. Dies liegt darin begründet, dass Fahrzeug-Akkus, um flexibel zu sein, häufig in vollgeladenem Zustand gehalten werden. Um hierdurch Schäden zu vermeiden, wird die 100 % Grenze künstlich heruntergesetzt.

Nach der Lebensspanne eines Akkus bietet sich der Tausch an

Wie lange ein Akku jedoch tatsächlich hält, hängt von seiner Bauweise und den verwendeten Materialien ab. Der Alterungsprozess von Lithium-Ionen-Akkus lässt sich lediglich verlangsamen, nicht aufhalten. Doch auch ein defekter Akku muss nicht das Ende für ein technisches Gerät bedeuten. Bei vielen Geräten lässt sich der Akku kostengünstig tauschen und so eine lange Nutzung gewährleisten. Auch beim Refurbishment gehören eine Prüfung der Akku Kapazität und ggf. der Austausch zur Routine, so dass Akku Kapazitäten keine Hürde darstellen.


Katharina Hupe