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Es gibt viele Mythen und Spekulationen zu den verbauen Akkus aller Gerätehersteller, nicht nur für Smartphones.
Schadet eine Entladung bis 0%? Soll man das Gerät Nachts am Ladegerät lassen?
Da die Akku Diskussionen auch hier im Forum (speziell hier beim iPhone Akku) allgegenwärtig sind und ich durch meine berufliche Erfahrung mit Elektronik viel mit Akkutechnik zu tun habe, versuche ich hier die technischen Eigenschaften noch genauer zu verdeutlichen.
Passende Quellen dazu verlinke ich unten, diese kann dann jeder gerne selbst einsehen.
Zur allgemeinen Verständlichkeit umschreibe ich die technischen Begriffe etwas und werde den Artikel in der nächsten Zeit noch etwas erweitern und ggf. Ausarbeiten.
Genauere Fragen versuche ich gerne zu beantworten.
@Mods:
Bitte das Thema verschieben, falls es in einem anderen Bereich besser aufgehoben ist.
Hintergrund:
Herkömmliche Lithium Zellen für Mobilfunkgeräte, aber auch andere portable Geräte der Unterhaltungsindustrie, sind sogenannte Lithium Cobalt Oxid (LiCoO²) Akkus.
Umgangssprachlich (mit unter anderer Typen) aber auch Lithium Ionen Akku genannt.
Der größte Vorteil dieser Technik besteht in der Akku-Kapazität des Akkus bzw. dessen Energiedichte in Bezug auf dessen Volumen, und der Herstellungsverfahren und -kosten dieser Technik.
Nachteile im Gegensatz zu anderen Lithium Techniken sind kurze Lebensdauer, thermische Instabilität und beschränkte Ladeeigenschaften (Details dazu später).
Andere Techniken sind z.B. „Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxid“ für die bekannten Autos von Tesla oder „Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxid“ für die Werkzeug und E-Bike Industrie.
In letzteren genannten Bereichen werden dem Akku weitaus größere Ströme abverlangt, was eine andere Technik im Gegensatz zu unseren Smartphones erfordert.
Hier ist dann die Energiedichte nicht ganz so gut wie im Smartphone-Akku, die Lebensdauer und Belastbarkeit jedoch deutlich gesteigert.
Ab hier handelt es sich in diesem Artikel nur noch um die Akkutechnik, die in unseren Geräten wie Smartphones, Laptops oder Tablets zum Einsatz kommt.
Eine normale LiCo Zelle wird für ca. 500 - 1000 vollen Ladezyklen spezifiziert, ein Zyklus ist eine vollständige Ladung von 0-100%.
In einigen Beispielen nutze ich gerne den iPhone XS Akku als Beispiel.
Andere Geräte wie das iPad, ein MacBook oder aber auch Geräte anderer Hersteller verhalten sich nicht anders, da alle auf dieselben Akku Techniken zurück greifen, die einzelnen Zellen nur als Paket zusammenefasst sind.
Akku Daten:
Laden des Akkus:
Ein Ladegerät für Lithium Akkus lädt (einfach gehalten) mit folgenden Abschnitten:
Schnelladetechniken nutzen noch weitere Techniken, um diesen Prozess zu verbessern (Impulsladung z.B.)
und versuchen auch, die thermische Belastung des Akkus durch ausgefeilte Mechanismen zu verhindern.
Somit erhitzt sich der Akku während der Ladung nicht und Stress wird vermieden.
Wichtige Fakten zum Thema Akku:
Quellen dazu:
https://batteryuniversity.com/index.php/learn/article/types_of_lithium_ion
https://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries
https://batteryuniversity.com/learn/article/confusion_with_voltages
https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_charge_when_to_charge_table
https://batteryuniversity.com/learn/article/bu_808b_what_causes_li_ion_to_die
https://batteryuniversity.com/learn/article/bu_216_summary_table_of_lithium_based_batteries
https://www.digikey.com/en/articles...igner-guide-fast-lithium-ion-battery-charging
Choi, S. S., & Lim, H. S. (2002). Factors that affect cycle-life and possible degradation mechanisms of a Li-ion cell based on LiCoO2. Journal of Power Sources, 111(1), 130-136. doi:10.1016/s0378-7753(02)00305-1
Schadet eine Entladung bis 0%? Soll man das Gerät Nachts am Ladegerät lassen?
Da die Akku Diskussionen auch hier im Forum (speziell hier beim iPhone Akku) allgegenwärtig sind und ich durch meine berufliche Erfahrung mit Elektronik viel mit Akkutechnik zu tun habe, versuche ich hier die technischen Eigenschaften noch genauer zu verdeutlichen.
Passende Quellen dazu verlinke ich unten, diese kann dann jeder gerne selbst einsehen.
Zur allgemeinen Verständlichkeit umschreibe ich die technischen Begriffe etwas und werde den Artikel in der nächsten Zeit noch etwas erweitern und ggf. Ausarbeiten.
Genauere Fragen versuche ich gerne zu beantworten.
@Mods:
Bitte das Thema verschieben, falls es in einem anderen Bereich besser aufgehoben ist.
Hintergrund:
Herkömmliche Lithium Zellen für Mobilfunkgeräte, aber auch andere portable Geräte der Unterhaltungsindustrie, sind sogenannte Lithium Cobalt Oxid (LiCoO²) Akkus.
Umgangssprachlich (mit unter anderer Typen) aber auch Lithium Ionen Akku genannt.
Der größte Vorteil dieser Technik besteht in der Akku-Kapazität des Akkus bzw. dessen Energiedichte in Bezug auf dessen Volumen, und der Herstellungsverfahren und -kosten dieser Technik.
Nachteile im Gegensatz zu anderen Lithium Techniken sind kurze Lebensdauer, thermische Instabilität und beschränkte Ladeeigenschaften (Details dazu später).
Andere Techniken sind z.B. „Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxid“ für die bekannten Autos von Tesla oder „Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxid“ für die Werkzeug und E-Bike Industrie.
In letzteren genannten Bereichen werden dem Akku weitaus größere Ströme abverlangt, was eine andere Technik im Gegensatz zu unseren Smartphones erfordert.
Hier ist dann die Energiedichte nicht ganz so gut wie im Smartphone-Akku, die Lebensdauer und Belastbarkeit jedoch deutlich gesteigert.
Ab hier handelt es sich in diesem Artikel nur noch um die Akkutechnik, die in unseren Geräten wie Smartphones, Laptops oder Tablets zum Einsatz kommt.
Eine normale LiCo Zelle wird für ca. 500 - 1000 vollen Ladezyklen spezifiziert, ein Zyklus ist eine vollständige Ladung von 0-100%.
In einigen Beispielen nutze ich gerne den iPhone XS Akku als Beispiel.
Andere Geräte wie das iPad, ein MacBook oder aber auch Geräte anderer Hersteller verhalten sich nicht anders, da alle auf dieselben Akku Techniken zurück greifen, die einzelnen Zellen nur als Paket zusammenefasst sind.
Akku Daten:
- Akku-Kapazität (mAh)
Alle Akkus besitzen eine gewisse Kapazität (mAh genannt), die auf dem Typenschild des Akkus aufgedruckt ist. Diese Angabe beschreibt die Stromstärke, die der Akku für eine Stunde liefern kann.
Ein 2000mAh Akku kann also 2A für eine Stunde liefern, oder auch 1A für 2 Stunden oder 4A für 0,5 Stunden usw…
Ein 2000mAh Akku kann also 2A für eine Stunde liefern, oder auch 1A für 2 Stunden oder 4A für 0,5 Stunden usw…
- Nominal-Spannung (Zellspannung)
Diese Angabe (meist um die 3,6V – 3,8V) beschreibt die Spannung einer Zelle, bei der der ausgegebene Strom möglichst lange gehalten werden kann.
Darunter sackt die Spannung dann schnell zusammen und der Akku wird „leer“.
Eine klassische LiCo Zelle besitzt eine Spannung von 3,6V.
Höhere Zellspannungen von 3,8V oder 3,85V wie im Falle der iPhone Akkus (oder anderer Smartphones), können aufgrund von den verwendeten Additiven in den Akkus erreicht werden.
Somit wird auch die Gesamtkapazität vergrößert.
Darunter sackt die Spannung dann schnell zusammen und der Akku wird „leer“.
Eine klassische LiCo Zelle besitzt eine Spannung von 3,6V.
Höhere Zellspannungen von 3,8V oder 3,85V wie im Falle der iPhone Akkus (oder anderer Smartphones), können aufgrund von den verwendeten Additiven in den Akkus erreicht werden.
Somit wird auch die Gesamtkapazität vergrößert.
Normale LiCo Zelle:
Angepasste LiCo Zelle:
Ladung Ende: 4,2V
Nominalspannung: 3,6V
Batterie leer: 2,8V – 3,0V
Nominalspannung: 3,6V
Batterie leer: 2,8V – 3,0V
Ladung Ende: 4,3V – 4,4V
Nominalspannung: 3,8V – 3,85V
Batterie leer: 2,8V – 3,0V
Nominalspannung: 3,8V – 3,85V
Batterie leer: 2,8V – 3,0V
Eine höhere Zellspannung resultiert zwar in einer höheren Kapazität, beeinträchtigt jedoch auch die Lebensdauer des Akkus (siehe unten Abschnitt "Wichtige Fakten")
Laden des Akkus:
Ein Ladegerät für Lithium Akkus lädt (einfach gehalten) mit folgenden Abschnitten:
- Phase 1 - Konstanter Strom
Bei Beginn der Ladung wird der maximale Ladestrom über die geräteinterne Ladeelektronik im Gerät ermittelt und aufgenommen. Dies kann u.U. abweichen, wenn z.B. fremde Ladegeräte eingesetzt werden. Hierbei steigt die Spannung an.
- Phase 2 - Konstante Spannung
Erreicht die ansteigende Spannung (Phase 1) einen gewissen Punkt, wird in diesen Modus gewechselt.
Hierbei ist der Akku zum Großteil „Voll“, was zur Folge hat, dass der Ladestrom bei konstant gehaltener Spannung abnimmt.
In dieser Phase erfolgt die Ladung langsamer (Bei Smartphones meist ab so ca. 70% - 90%).
Dies ist die Phase, die den Akku am meisten stresst und dem Akku am wenigsten „nutzt“.
Hierbei ist der Akku zum Großteil „Voll“, was zur Folge hat, dass der Ladestrom bei konstant gehaltener Spannung abnimmt.
In dieser Phase erfolgt die Ladung langsamer (Bei Smartphones meist ab so ca. 70% - 90%).
Dies ist die Phase, die den Akku am meisten stresst und dem Akku am wenigsten „nutzt“.
- Phase 3 - Ladung Ende
Unterschreitet der Ladestrom einen gewissen Punkt (ca. 3% aus Phase 1) wird die Ladung beendet und die heute verwendeten Ladeelektroniken schalten ab.
Schnelladetechniken nutzen noch weitere Techniken, um diesen Prozess zu verbessern (Impulsladung z.B.)
und versuchen auch, die thermische Belastung des Akkus durch ausgefeilte Mechanismen zu verhindern.
Somit erhitzt sich der Akku während der Ladung nicht und Stress wird vermieden.
Wichtige Fakten zum Thema Akku:
- Ladestrom
Durch den Aufbau des LiCo Akkus, sollte dieser nicht bei einer höheren (momentanen) Rate als die angegebene Kapazität geladen werden.
Dies bedeutet, besitzt ein Akku eine Kapazität von 3000 mAh, sollte nicht mit einem Ladegerät geladen werden, welches mehr als 3A Ausgangsstrom besitzt.
Zum Schutz des Akkus schützen verbaute Ladeelektroniken den Akku vor unzulässig hohen Strömen.
Hersteller von Akkus empfehlen meist einen Strom im Faktor von ca. 0.8 der Kapazität, im genannten Beispiel wäre dies ein Ladestrom von 2,4 A.
Ein normales iPhone Ladegerät mit 1A würde bei einem XS Akku mit ca. 2700 mAh einer Laderate von ca. 0,37 entsprechen.
Eine Ladung mit einem iPad Netzteil von 2,1A entspricht dabei schon einem Faktor von ca. 0,77.
Je höher der eigentliche Ladestrom ist, desto kürzer dauert Phase 1 des Ladevorgangs an und die Spannung steigt sehr schnell.
Die 2. Phase (die den Akku dann stresst) fällt anschließend bis zur vollständigen Ladung des Akkus länger aus.
Diese so verkürzte P1 hat zur Folge, dass eine Zelle bei Laderaten von ca. 0.7 fachen der Kapazität und Erreichen des P1-P2 Übergangs gerade einmal zu 50%-70% geladen ist.
Im Gegensatz dazu ist dieselbe Zelle bei einer deutlich langsameren Laderate von ca. 0.2 der Kapazität am selben Punkt bereits so gut wie voll.
Grundsätzlich gilt:
Langsameres Laden schont den Akku.
Eine Teilladung im unteren und mittleren Bereich (bis ca. 70% - 80%) kann mit einem etwas höheren Ladestrom oder auch einer Schnelladung erfolgen.
Vollständige Ladungen sollten jedoch eher mit niedrigen Laderaten erfolgen.
Dies bedeutet, besitzt ein Akku eine Kapazität von 3000 mAh, sollte nicht mit einem Ladegerät geladen werden, welches mehr als 3A Ausgangsstrom besitzt.
Zum Schutz des Akkus schützen verbaute Ladeelektroniken den Akku vor unzulässig hohen Strömen.
Hersteller von Akkus empfehlen meist einen Strom im Faktor von ca. 0.8 der Kapazität, im genannten Beispiel wäre dies ein Ladestrom von 2,4 A.
Ein normales iPhone Ladegerät mit 1A würde bei einem XS Akku mit ca. 2700 mAh einer Laderate von ca. 0,37 entsprechen.
Eine Ladung mit einem iPad Netzteil von 2,1A entspricht dabei schon einem Faktor von ca. 0,77.
Je höher der eigentliche Ladestrom ist, desto kürzer dauert Phase 1 des Ladevorgangs an und die Spannung steigt sehr schnell.
Die 2. Phase (die den Akku dann stresst) fällt anschließend bis zur vollständigen Ladung des Akkus länger aus.
Diese so verkürzte P1 hat zur Folge, dass eine Zelle bei Laderaten von ca. 0.7 fachen der Kapazität und Erreichen des P1-P2 Übergangs gerade einmal zu 50%-70% geladen ist.
Im Gegensatz dazu ist dieselbe Zelle bei einer deutlich langsameren Laderate von ca. 0.2 der Kapazität am selben Punkt bereits so gut wie voll.
Grundsätzlich gilt:
Langsameres Laden schont den Akku.
Eine Teilladung im unteren und mittleren Bereich (bis ca. 70% - 80%) kann mit einem etwas höheren Ladestrom oder auch einer Schnelladung erfolgen.
Vollständige Ladungen sollten jedoch eher mit niedrigen Laderaten erfolgen.
- Temperatur
Ein Laden unter 0° C oder oberhalb 45° C begrenzt die Lebensdauer eines Akkus.
Hierbei ist zu sagen, dass die Akku Temperatur gemeint ist, und sich dieser in den Geräten befindet. Wird das Gerät also an heißen Tagen Stress ausgesetzt (Games, …), das Gerät in einem Case verwendet und / oder noch in der Hand hält, können diese 45° C schnell überschritten werden. Eine Ladung in diesem Zustand verkürzt die Lebensdauer.
(Siehe auch Abschnitt Qi-Ladung bzgl. Temperatur)
Die eiengtliche Nutzung des Akkus ist von -20°C bis hin zu 60°C problemlos möglich.
Hierbei ist zu sagen, dass die Akku Temperatur gemeint ist, und sich dieser in den Geräten befindet. Wird das Gerät also an heißen Tagen Stress ausgesetzt (Games, …), das Gerät in einem Case verwendet und / oder noch in der Hand hält, können diese 45° C schnell überschritten werden. Eine Ladung in diesem Zustand verkürzt die Lebensdauer.
(Siehe auch Abschnitt Qi-Ladung bzgl. Temperatur)
Die eiengtliche Nutzung des Akkus ist von -20°C bis hin zu 60°C problemlos möglich.
- Qi-Ladung
Neuere Ladetechniken nutzen kabellose Übertragungstechniker wie z.B. Qi.
Diese schaden dem Akku grundsätzlich nicht, verursachen jedoch je nach Ladegerät und Ladestrom unterschiedliche Temperaturanstiege des zu ladenden Gerätes aufgrund der drahtlosen Energieübertragung.
Auch hier sollte der Hinweis aus dem Bereich „Temperatur“ berücksichtigt werden, dass die geräteinterne Temperatur des Akkus bei Qi Ladung schneller überschritten sein kann, als bei einer herkömmlichen Lademethode. Daher kommt auch der Mythos, dass Qi grundsätzlich schlecht ist.
Wird auf die Temperatur geachtet, stresst Qi den Akku nicht mehr als andere Arten zu Laden.
Was bei Qi Ladung jedoch auch eine Rolle spielt ist, dass durch die Energieübertragung deutliche Verluste entstehen, was in einer geringeren Effizienz resultiert, als die kabelgebundene Ladung.
Diese schaden dem Akku grundsätzlich nicht, verursachen jedoch je nach Ladegerät und Ladestrom unterschiedliche Temperaturanstiege des zu ladenden Gerätes aufgrund der drahtlosen Energieübertragung.
Auch hier sollte der Hinweis aus dem Bereich „Temperatur“ berücksichtigt werden, dass die geräteinterne Temperatur des Akkus bei Qi Ladung schneller überschritten sein kann, als bei einer herkömmlichen Lademethode. Daher kommt auch der Mythos, dass Qi grundsätzlich schlecht ist.
Wird auf die Temperatur geachtet, stresst Qi den Akku nicht mehr als andere Arten zu Laden.
Was bei Qi Ladung jedoch auch eine Rolle spielt ist, dass durch die Energieübertragung deutliche Verluste entstehen, was in einer geringeren Effizienz resultiert, als die kabelgebundene Ladung.
- Benutzung während des Aufladens
Wird ein Gerät während des Aufladens benutzt, wird die Batterie auch gestresst.
Einfach umschrieben treten während einer Nutzung + Ladung Belastungen auf, die den Ladeprozess stören können und zu „Mini-Zyklen“ führen. Gerade in oberen Bereichen des Ladestandes sind diese Prozesse für den Akku besonders stressbehaftet und sollten vermieden werden.
Einfach umschrieben treten während einer Nutzung + Ladung Belastungen auf, die den Ladeprozess stören können und zu „Mini-Zyklen“ führen. Gerade in oberen Bereichen des Ladestandes sind diese Prozesse für den Akku besonders stressbehaftet und sollten vermieden werden.
- Ende der Ladung
Hersteller laden die Akkus bis zu sehr unterschiedlichen Spannungen von 4,2V, 4,3V oder gar 4,35V Akkuspannung (Letztere das iPhone als Beispiel).
Studien in diesem Bereich haben gezeigt, dass die Lebensdauer einer Lithium Zelle bei einer maximalen Ladespannung von 4,25V doppelt so lange ist, wie bis zu einer Spannung von 4,35V.
Eine dauerhafte Verringerung der maximalen Ladespannung um 0,1V, bedeutet für diesen die doppelte Lebensdauer.
Anders gesagt: Wird die Ladung gestoppt, sobald Phase 2 der Ladung eintritt (langsameres Laden), der Akku jedoch zum Großteil bereits geladen ist, umgeht man so den lebensverkürzenden Abschnitt.
Im Umkehrschluss fehlt jedoch auch ein gewisser Teil der Akku Kapazität für die Nutzung.
Allgemein gehalten kann man sagen, dass laut dieser Studien eine Ladung bis ca. 90% die Akku Lebensdauer im Gegensatz zu 100% verdoppelt, und bis ca. 80% sogar vervierfacht.
Ein Laden über Nacht ist, bis auf diese genannten Punkte, kein Problem. Sobald der Akku voll geladen ist, beenden die heutigen Ladegeräte die Ladung selbstständig (Siehe oben).
Studien in diesem Bereich haben gezeigt, dass die Lebensdauer einer Lithium Zelle bei einer maximalen Ladespannung von 4,25V doppelt so lange ist, wie bis zu einer Spannung von 4,35V.
Eine dauerhafte Verringerung der maximalen Ladespannung um 0,1V, bedeutet für diesen die doppelte Lebensdauer.
Anders gesagt: Wird die Ladung gestoppt, sobald Phase 2 der Ladung eintritt (langsameres Laden), der Akku jedoch zum Großteil bereits geladen ist, umgeht man so den lebensverkürzenden Abschnitt.
Im Umkehrschluss fehlt jedoch auch ein gewisser Teil der Akku Kapazität für die Nutzung.
Allgemein gehalten kann man sagen, dass laut dieser Studien eine Ladung bis ca. 90% die Akku Lebensdauer im Gegensatz zu 100% verdoppelt, und bis ca. 80% sogar vervierfacht.
Ein Laden über Nacht ist, bis auf diese genannten Punkte, kein Problem. Sobald der Akku voll geladen ist, beenden die heutigen Ladegeräte die Ladung selbstständig (Siehe oben).
- Niedriger Ladezustand
Gerade die angegebenen Studien belegen auch, dass die Nutzung im unteren Bereich einer Lithium Zelle bis hin zur „echten“ 0% Schwelle von ca. 2,8V unproblematisch sind und die Lebensdauer des Akkus nur noch linear abnimmt (normaler Alterungsprozess).
Darüber hinaus wird die Elektronik das Gerät schon deutlich vor Erreichen dieser „echten“ Schwelle abschalten, typischerweise bei ca. 3,4V – 3,5V. Diese Nutzungszyklen bis zur 0% Geräteanzeige schaden dem Akku somit weitaus weniger (so gut wie gar nicht), als die Ladungen bis 100%.
Darüber hinaus wird die Elektronik das Gerät schon deutlich vor Erreichen dieser „echten“ Schwelle abschalten, typischerweise bei ca. 3,4V – 3,5V. Diese Nutzungszyklen bis zur 0% Geräteanzeige schaden dem Akku somit weitaus weniger (so gut wie gar nicht), als die Ladungen bis 100%.
Quellen dazu:
https://batteryuniversity.com/index.php/learn/article/types_of_lithium_ion
https://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries
https://batteryuniversity.com/learn/article/confusion_with_voltages
https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_charge_when_to_charge_table
https://batteryuniversity.com/learn/article/bu_808b_what_causes_li_ion_to_die
https://batteryuniversity.com/learn/article/bu_216_summary_table_of_lithium_based_batteries
https://www.digikey.com/en/articles...igner-guide-fast-lithium-ion-battery-charging
Choi, S. S., & Lim, H. S. (2002). Factors that affect cycle-life and possible degradation mechanisms of a Li-ion cell based on LiCoO2. Journal of Power Sources, 111(1), 130-136. doi:10.1016/s0378-7753(02)00305-1
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