Li-Ionen Akkus: Der richtige Umgang

Bei der Akkulaufzeit wird oft geflunkert, es gab zwischendurch sogar Wunderfolie. THG beschäftigt sich mit den Fakten und dem technischen Hintergrund moderner Li-Ionen-Akkus.

Explosiv, und dabei doch so notwendig — die Lithiumionen-Akkus beherrschen eindeutig den IT-Bereich. Trotzdem kennen sich die meisten, und manchmal selbst IT-Profis, kaum damit aus. Man muss also wissen, wie sie funktionieren, vor allem aber, wie man mit ihnen umgeht, wie man sie schont und aufbewahrt. Man strebt immer längere Laufzeiten an, und unsere Artikel-Serie zu diesem Thema geht dem Problem auf den Grund.

In der Vergangenheit beschäftigte sich THG mit der Firma Batterylife, die ihren Sitz in der Schweiz hatte und begann, in Deutschland ihr Unwesen mit fragwürdigen Produkten zu treiben. Dieses Unternehmen bot Folien an, die auf Akkus geklebt deren Lebensdauer beträchtlich verlängern sollten. Wir enttarnten diesen physikalischen Unsinn und baten die Geschäftsführerin des Unternehmens zu einem Interview-Termin. Unser Artikel Interview mit Batterylife: Technik-Revolution oder Nepp? ist den meisten Lesern sicher noch allgegenwärtig. Interessant auch, dass viele auf diesen Trick hereinfielen oder gar nicht erst die Probe aufs Exempel machten.

Es sind vor allem die Fragen, die sich viele stellen: Muss man den Akku herausnehmen, wenn das Notebook ans Stromnetz angeschlossen ist? Kann man einen Akku verjüngen, der seine Kraft nach 20 Minuten verliert? Muss man ihn vollständig entladen, und vor allem, wie kann man kostbare Minuten bei einem Notebook gewinnen? Auch wenn zum Einstieg in dieses Thema vorrangig Li-Ionen-Akkus und Notebooks behandelt werden, gelten bestimmte Abschnitte dieses ersten Teils auch für andere Geräte. Die Li-Ionen-Akkus überschwemmen nämlich die Erde (2 Milliarden Zellen werden jedes Jahr produziert) und zeugen von einem neuen Trend. Der Mensch wird wieder neu geboren, und nach der Nabelschnur trennt er alle Kabel, die ihn behindern. WLAN, WUSB, Bluetooth, WiMAX — nun für einen Augenblick das allgegenwärtigste aller Kabel herausziehen, das Stromkabel!

Die allerersten Arbeiten haben 1912 begonnen und werden Gilbert Newton Lewis zugeschrieben, einem amerikanischen Chemiker. Die ersten Lithium-Batterien sind in den 70er Jahren erschienen, und die ersten Versuche mit wieder aufladbaren Batterien fanden in den 80er Jahren statt. Die Schwierigkeiten, die diese Technologie bot, wurden zuerst von Bell Labs überwunden. Man denke dabei an die Instabilität von Lithium beim Laden des Akkus. Professor John Goodenough und sein Team von der Universität von Oxford zeichnen ebenfalls für die Fortschritte verantwortlich, die die Markteinführung dieses Akkus durch Sony 1991 ermöglicht haben.

Anode, Kathode und andere

Ein Akku besteht aus mehreren Elementen, die zusammengebaut werden. Da sind zunächst die Akkumulatoren (oder Akkuzellen), die die Energie speichern. Das sind im Allgemeinen (aber nicht unbedingt) starre Zylinder (herkömmlichen Batterien ähnlich), denn sie sind nicht sehr teuer herzustellen, bieten eine gute Dichte, einen guten Widerstand gegenüber Innendruck und sind mechanisch stabil. In Artikeln und News ist häufig von 6- oder 9-zelligen Akkus die Rede. Man muss wissen, dass ein Akkumulator einer Zelle entspricht. Ein 6-zelliger Akku enthält also 6 Akkuzellen.

Sicherheit

Die Zelle besteht im Wesentlichen aus drei Elementen: der Anode (elektrisch negativ), der Kathode (elektrisch positiv) und Schichten zwischen den beiden, die aus Polyethylen oder Polypropylen bestehen. Diese Schichten haben Poren, die sich bei 130 °C schließen, um jede chemische Reaktion zu stoppen, wenn der Akku zu heiß wird. Die Hersteller bauen darüber hinaus verschiedene Elemente ein, die für die Sicherheit des Akkus sorgen, wie eine Membrane, die reißt, wenn der Innendruck zu groß wird. Wenn sie reißt, läuft die Zelle im Leerlauf, was grundsätzlich den Druck mindern müsste. Wenn das nicht ausreicht, öffnet sich ein Ventil, um zu verhindern, dass der Zylinder platzt.

Bei der Herstellung setzen die Konstrukteure einen PTC (Positive Temperature Coefficient) unter den Pluspol des Akkus. Es ist grundsätzlich nicht möglich, den PTC zu entfernen, ohne den Akku zu zerstören. Er soll auf Temperaturerhöhung reagieren, und sobald eine voreingestellte Schwelle überschritten wird, reduziert oder stoppt er den Stromfluss, damit die Temperatur wieder sinkt. Die Akkus verfügen darüber hinaus über eine Dichtung, um jegliches Entweichen zu verhindern. Doch trotz all dieser Sicherheitsmaßnahmen sind Li-Ionen-Akkus immer noch gefährlich, wie der Ärger zeigt, den Sony mit ihnen hatte. Ohne paranoisch werden zu wollen, bedürfen diese Akkus doch einer gewissen Wachsamkeit bei der Herstellung und Handhabung.

Der Platz des Lithiums

Doch eine Frage ist noch offen. Warum nennt man sie Li-Ionen- oder Lithiumionen-Akkus? Das Lithium befindet sich in der positiven und in der negativen Elektrode sowie im Elektrolyt. Es ist das leichteste Metall und verfügt über ausgezeichnete elektrochemische Eigenschaften; so bietet es eine im Verhältnis zu seinem Gewicht große Energiedichte (zweimal so hoch wie bei Ni-Cd). Doch ist das Lithium hier nicht in seiner metallischen, sondern in seiner ionischen Form vorhanden. Daher rührt der Name Lithiumionen. Der Grund dafür ist, dass die metallische Form aus Sicherheitsgründen nicht zu vermarkten war. Die Instabilität seiner Struktur brachte die Hersteller dazu, Lithiumionen zu wählen, die zwar eine geringere Energiedichte bieten, dafür aber viel sicherer sind.

Die Kathode besteht grundsätzlich aus Kobaltdioxid, aber es gibt auch Modelle, bei denen Mangan verwendet wird. Für die Anode allerdings wird seit den Forschungen der Bell Labs im Jahr 1997 kugelförmiger Graphit verwendet, auch MCMB (Meso Carbon Micro Beads) genannt. Das Elektrolyt besteht aus einem leitfähigen Salz. Am Ende erhält man die folgende Reaktion.

All das wird von einer Isolierschicht umgeben. Der positive Teil des Akkus ist in Aluminium gekleidet, im Gegensatz zum negativen Teil, der Kupfer enthält.

Theoretisch können die Zellen in Reihe oder parallel geschaltet werden. In der Praxis, bei Notebooks, begegnet man beiden Formen gleichzeitig. So verfügt zum Beispiel THGs Testnotebook (ein Fujitsu Siemens M3438G-75005) über 8 Zellen. Je 4 Samsung-Akkus ICR-18650 mit 3,7 V sind in Reihe geschaltet, um eine Spannung von 14,8 V (3,7 x 4) zu erzielen, und die beiden Reihen sind parallel geschaltet, um die Kapazität zu erhöhen, die nun 4400 mAh erreicht. Die elektrische Ladung jeder Reihe liegt bei 2200 mAh, die man mit 2 multipliziert, weil zwei parallele Reihen vorhanden sind. Eine derartige Konfiguration wird 4S2P (4 Akkus in Reihe, 2 parallele Reihen) genannt, man kann aber auch 9-zellige Akkus vom Typ 3S3P oder 12 Zellen vom Typ 4S3P finden. Achtung, jeder Akku verwendet andere Zellen! Die Spannung oder das Potenzial wie die elektrische Ladung können je nach Modell variieren.

Elektronische Schaltung

Der Akku enthält zudem eine elektronische Schaltung, die außerordentlich wichtig ist, weil sie sein korrektes Funktionieren und seine Sicherheit gewährleistet. Diese Schaltung besteht grundsätzlich aus einem Transistor (FET - Field Effect Transistor), der alles trennt, wenn die Ladespannung den Nominalwert um 0,1 V übersteigt, und einer Sicherung, die herausspringt, wenn die Temperatur 90 °C erreicht. Dafür werden unterschiedliche Sicherungstypen verwendet. Manche sind für immer durchgebrannt, sobald der Wendel zerstört ist, andere können wieder reaktiviert werden. Es gibt auch einen Schalter, der anspricht, wenn der Innendruck zu hoch wird (über 10 bar) und dabei den Strom abschaltet. Eine Schaltung in einem mehrzelligen Akku überwacht auch die Spannung jeder Zelle und die Spannung der Verbindungen zwischen den Zellen. Sie versucht außerdem, eine übermäßige Entladung zu verhindern, indem der Strom abgeschaltet wird, wenn die Spannung unter 2,50 V pro Zelle sinkt.

Besteht Gefahr?

Angst haben die Hersteller jedoch nach wie vor vor statischer Elektrizität oder einem defekten Ladegerät, das die elektrische Schaltung beschädigen könnte. So ein Schaden könnte die Sicherung in der ON-Position festklemmen, ohne dass der Anwender es merkt. Grob gesagt, die elektrische Schaltung erfüllt nicht mehr ihre primäre Funktion, die darin besteht, den Strom abzuschalten, wenn die Betriebsbedingungen riskant werden. Praktisch handelt es sich hier eher um einen theoretischen Fall, doch steigt dadurch die Notwendigkeit, das vom Hersteller gelieferte Ladegerät zu verwenden.

Allgemein kann man sagen, dass die Hersteller von Notebooks sehr darauf achten, welche Akkus Sie verkaufen. Das ist aber in anderen Bereichen nicht so, und man kann gelegentlich auf Lithiumionen-Akkus stoßen, die nur eine minimale oder überhaupt keine Elektronik zum Schutz des Anwenders haben. Die Hersteller von Notebooks sind auch sehr diskret, was die verwendeten Technologien angeht, und es war relativ schwierig, ins Detail der Zusammensetzung einer Li-Ionen-Zelle zu gehen. Jeder Hersteller hat hier sein eigenes Rezept, das extrem gut gehütet wird.

Anders, als man hier und da lesen kann, gibt es doch einige Regeln und Normen. So gibt es heute vor allem die Norm IEEE 1625. Sie wurde am 12. April 2004 aus einer gemeinsamen Bemühung der großen Namen der Branche geboren: IBM, Dell, Hewlett Packard, Compaq, Samsung, Sony, Motorola, Texas Instruments und andere mehr. Diese Normen mit dem Namen "Standard for Rechargeable Batteries for Portable Computing" regeln die Herstellung und die Entwicklung von Akkus. Sie sind auch eine Orientierungshilfe für Qualitätskontrollen, indem sie Minimalkriterien festlegen. Das Ziel der IEEE 1625 war eindeutig festgelegt: "mehr Schutz, um die Risiken bei einem thermischen oder mechanischen Schock, bei Vibrationen oder anderen Belastungen zu reduzieren".

Manche werden sagen, dass angesichts der Geburt und Entwicklung von Notebooks 2004 relativ spät ist. Um genau zu sein, es gab schon vorher einige Standards. Ihr Nachteil war aber, dass sie sich auf die Zellen konzentrierten und das Gehäuse und die Elektronik vernachlässigten oder umgekehrt. Die IEEE 1625 harmonisiert all dies, indem sie einen Standard einführt, der alle Elemente eines Akkus einzeln und zusammen betrifft.

Feuertaufe

Jedoch hat das Jahr 2006 gezeigt, dass dieser Standard nicht mehr zweckmäßig war. Innerhalb von zwei Jahren ist die Konkurrenz immer härter geworden, und die Unternehmen versuchen, die Produktionskosten möglichst stark zu reduzieren und gleichzeitig immer schneller neue Modelle herauszubringen. Diese neue Landschaft hat jedoch gezeigt, wie empfindlich die Lithiumionen-Akkus sein können und in welchem Maße diese Politik des immer schneller und immer billiger den Schwung eines Unternehmens wie Sony ausbremsen und dazu führen kann, dass erhebliche Geldsummen verbrannt werden.

Im Juni 2006 fängt das Dell-Notebook eines Journalisten in einem Konferenzraum in Japan Feuer. Es wird eine Untersuchung eingeleitet, und es gibt erste Hinweise darauf, dass es ein Überhitzungsproblem mit dem Akku gab. Im Juli 2006 wurden diese Vermutungen durch Labortests bestätigt, und was noch überraschender ist - man erfährt, dass Dell Bescheid weiß. Im August 2006 erfährt man, dass die Akkus von Sony hergestellt wurden und dass sie nicht nur an Dell verkauft wurden, sondern auch an HP, Apple, Lenovo, Fujitsu, Hitachi und andere.

Zurück in der Wirklichkeit

Einige Tage später gibt Sony eine Erklärung ab. Der Hersteller gibt zu, dass in der chemischen Lösung der Lithiumionen-Akkus "in seltenen Fällen mikroskopisch kleine Metallpartikel" vorhanden sind, die "einen Kurzschluss auslösen" und "zu Überhitzung oder möglicherweise Brandbildung innerhalb der Zelle führen" können. Der japanische Hersteller hat sofort "eine Reihe an zusätzlichen Schutzmaßnahmen beim Herstellungsprozess der Akkus eingeführt, um das Problem zu beheben". Diese sehr allgemeine Erklärung wurde im Oktober 2006 durch genauere Einzelheiten ergänzt. In dem Augenblick, in dem das Elektrolyt in die Akkuzelle gegossen wurde, sind unter anderem Nickelpartikel in die Zelle gelangt. Sony hat jedoch nie erklärt, wie das Nickel in seine Produktionskette gelangt ist. Um die Sache richtig einzuordnen: Es sind nur sehr wenige defekte Akkus in Brand geraten, und die Zahl der Opfer lässt sich an den Fingern beider Hände abzählen.

Doch statt dieses Problem ernst zu nehmen, haben manche Hersteller, darunter Sony, den Rückruf der defekten Akkus lange hinausgezögert. Angesichts der massiven Empörung der Verbraucher geschah dann doch das Unvermeidliche, und sämtliche Hersteller (selbst die zögerlichsten) riefen ihre Produkte zurück. Insgesamt wurden fast 10 Millionen Akkus zurückgerufen, wobei Kosten in Höhe von 430 Millionen Dollar entstanden. Eine andere Konsequenz war ein Protest der IEEE, die im September 2006 eine Überarbeitung der IEEE-1625-Norm ankündigte. Aus dieser Überarbeitung soll ein neuer Standard hervorgehen, IEEE 1825, der neben Lithiumionen-Akkus auch Lithiumionen-Polymer-Akkus betreffen soll.

Die Gewohnheiten im Umgang mit Akkus stammen noch aus der Ni-Mh-Zeit. Es ist also wichtig, dass man die Verwendung der Akkus von der ersten Benutzung bis zum Wegwerfen überdenkt.

Auf die Entladung achten

Wenn man den Akku bekommt, darf man ihn nicht vollständig entladen. Man muss ihn im Gegenteil ohne Unterbrechung vollständig aufladen. Tatsächlich darf man den Akku niemals vollständig entladen, weil er sonst auf einen Schlag 20 % seiner Kapazität einbüßt. Im Allgemeinen achten die Betriebssysteme darauf und schalten das Notebook aus, bevor der Akku keine Energie mehr hat. Dies hat seinen Grund darin, dass die Akkuzellen an eine komplexe elektronische Schaltung angeschlossen sind, die stets mit Strom versorgt werden muss. Zudem führt eine völlige Entladung zu einer Verschlechterung der chemischen Elemente in der Akkuzelle. Aus diesem Grund kann das Aufladen des Akkus (nach einem völligen Entladen) auch gefährlich sein. Daher kann eine interne Schaltung das Aufladen verhindern, um einen Störfall zu vermeiden. Das hat aber auch zur Folge, dass der Akku unbrauchbar wird. Es ist nicht ratsam, seinen Akku um mehr als 95 % zu entladen, soweit dies möglich ist. Kleinere Aufladungen sind häufig am besten.

Lade-/Entladezyklen

Im Gegensatz zu dem, was allgemein gesagt wird, ist die Zahl der Ladezyklen nicht identisch mit der Anzahl der Ladevorgänge des Akkus. Angenommen, der Akku hat noch 50 % seiner Ladung. Man lädt ihn auf 100 % auf und macht das Gleiche noch einmal. Man hat seinen Akku dann also zweimal um 50 % aufgeladen, aber zwei Aufladungen von 50 % entsprechen nur einem Ladezyklus. Im Gegensatz zur überkommenen Auffassung ist es also nicht nötig zu warten, bis der Akku leer ist, um ihn aufzuladen. Wie bereits gezeigt, trifft genau das Gegenteil zu. Und schließlich müsste der Akku beim Laden eine Temperatur zwischen 0 und 45 °C haben. Bei niedrigeren Temperaturen würde das Lithium an den Elektroden kleben, bei höheren Temperaturen würde der Druck zu groß. In beiden Fällen kann der Akku instabil werden. Wenn die Ladetemperatur wirklich einmal über 45 °C geht, stoppt eine Schaltung den Ladevorgang, und man denkt, der Akku sei voll, obwohl er es gar nicht ist. Man schätzt, dass die optimale Temperatur bei 20 °C liegt. Wie weiter unten gezeigt wird, ist die Betriebstemperatur (beim Laden oder Entladen) ein wichtiges Element im Leben eines Akkus. Man muss also besonders gut darauf achten.

Doch gibt es für jede Regel auch eine Ausnahme. Es wird empfohlen, den Akku bei den ersten Verwendungen voll aufzuladen und dann das Notebook, ohne den Akku zwischendurch aufzuladen, bis zur kritischen Schwelle (5 % Ladung) zu benutzen, aber ohne diese zu unterschreiten. Ist die Schwelle erreicht, lädt man den Akku vollständig wieder auf. Anders als viele heute meinen, dient dieser Vorgang nicht dazu, den Akku zu formatieren und seine Kapazität zu steigern, sondern lediglich dazu, die Systeme, die das Ladungsniveau messen, zu justieren. Dies nennt man Kalibration, denn so kann man das Messsystem kalibrieren, damit es eine genauere Einschätzung der restlichen Energie erzielt. Im Schnitt ist es empfehlenswert, den Akku jeden Monat zu kalibrieren, besonders, wenn man in der Regel nur kleinere Aufladungen vornimmt.

Normaler Verlust

Lithiumionen-Akkus haben die Eigenart, während der ersten zehn Zyklen Kapazität zu verlieren. Der Verlust ist nicht groß (einige Prozent) und schwächt sich mit der Zeit ab. Dieser Verlust hängt stark von den verwendeten Materialien ab und ist daher nicht bei allen Akkus gleich, er ist nicht einmal systematisch.

Diese Abnahme der Kapazität erklärt sich aus dem Herstellungsprozess der Li-Ionen-Zelle. Bei der Produktion der Zelle setzt der Hersteller einen Lade-/Entladezyklus ein, durch den eine Schutzschicht auf der Anode entsteht, der aber auch bewirkt, dass etwas Lithium verbraucht wird. Diese Schicht entwickelt sich während der ersten Zyklen weiter, was die Konsequenz hat, dass noch etwas mehr Lithium verbraucht wird. Weniger Lithium bedeutet logischerweise auch weniger Kapazität. Es ist trotzdem sehr schwierig zu bestimmen, in welchem Maße der Akku an Kapazität verliert, da das Phänomen je nach verwendeten Materialien unterschiedlich ausfällt.

Es gibt noch eine andere überkommene Vorstellung, der zufolge man den Akku beschädigt, indem man ihn auflädt, wenn er nur zum Teil entladen ist. Diese Vorstellung hängt mit dem Phänomen zusammen, das "Memory-Effekt" genannt wird. Vor einigen Jahren haben sich die Hersteller von Ni-Cd- und die von Ni-Mh-Akkus gegenseitig das Schreckgespenst des Memory-Effekts vorgeworfen, um sich gegenseitig schlechte Werbung zu machen. Das hat vor allem für eine massive Verwirrung der Öffentlichkeit gesorgt. Es ist daher wichtig, die Dinge ganz kurz wieder klarzustellen.

Ein Scheinproblem

Der Memory-Effekt ist das Phänomen, dass ein Akku sich weigert, alle Energie abzugeben, die er gespeichert hat, weil er wieder aufgeladen wurde, bevor er völlig leer war, und den Zustand, den er zum Zeitpunkt des Neuaufladens erreicht hat, als Zustand der Erschöpfung gespeichert hat.

Dieses Phänomen war zuerst von der NASA entdeckt worden. Deren Satelliten im Orbit luden sich in hellen Phasen auf und entluden sich bei dunklen Phasen. Achtung, die Lade-/und Entladephasen sind immer absolut gleich lang geblieben! Nach mehreren Lade-/Entladevorgängen hat die NASA bemerkt, dass der Akku jenseits des Punktes, bis zu dem er für gewöhnlich entladen wurde, keine Energie mehr abgab. Der Akku hatte im "Gedächtnis" behalten, bis zu welchem Punkt er für gewöhnlich entladen wurde und weigerte sich, darüber hinauszugehen.

Im alltäglichen Leben ist es praktisch unmöglich, bei Ni-Cd-Akkus unter dem Memory-Effekt zu leiden. Die Lade- und Entladezeiten sind selten (oder nie) über mehrere aufeinander folgende Zyklen absolut identisch. Dafür müsste der Anwender schon versuchen, den Memory-Effekt zu reproduzieren, was ein theoretisches Problem ist. In Wirklichkeit ist es sogar im Labor schwierig, den Memory-Effekt zu reproduzieren, und ein x-beliebiger Anwender hat nichts zu befürchten.

Der wahre Pseudo-Memory-Effekt

Nichtsdestoweniger haben die Hersteller von Ni-Cd- und Ni-Mh-Akkus ein anderes Phänomen als "Memory-Effekt" bezeichnet, das man in Erinnerung an diese Störung, die, anders als die zeitgenössischen Argumente vorgaben, ebenso die Ni-Cd wie die Ni-Mh-Akkus betraf (auch wenn erstere mehr darunter leiden), heute den "Pseudo-Memory-Effekt" nennt. Einfach gesagt, wenn ein Akku an das Ladegerät angeschlossen bleibt, obwohl er bereits voll ist (im Schnitt einen Tag lang, nachdem der Akku vollständig aufgeladen war), bewirkt der Strom eine Schädigung in der Struktur der Akkuzelle, die dann nur noch eine geringere Spannung (1,08 V/Element) als die nominale Spannung der Ni-Cd-Akkus (1,2 V/Element) liefern kann.

Man hat dann also plötzlich Akkus, von denen die einen die vorgesehene Spannung liefern und die anderen eine niedrigere. Wenn nun das Gerät, in dem diese Akkus arbeiten, die vorgesehene Spannung anfordert, können die beschädigten Akkus ihre Energie nicht abgeben, und man meint, es mit dem "Memory-Effekt" zu tun zu haben. Zur Information sei gesagt, dass man dieses Phänomen bei Ni-Cd-Akkus rückgängig machen kann, indem man den Akku bis zu seiner kritischen Schwelle entlädt und dann neu auflädt.

Das Lithium-Ion hat kein Gedächtnis

Man könnte sich fragen, ob dieses Problem nicht auch die Li-Ionen-Akkus betrifft, insbesondere diejenigen, die in einem Notebook bleiben, wenn es an das Stromnetz angeschlossen ist. Man könnte meinen, dass der Akku dann eine Spannungsabsenkung erleiden könnte, weil er ständig geladen wird. Doch in Wirklichkeit sieht das ganz anders aus, und Li-Ion-Akkus haben dieses Problem aus einem ganz einfachen Grunde nicht. Während des Ladens gibt das Ladegerät einen Teil der Spannung an die Akkus ab, und der andere Teil dient dem Betrieb des Notebooks. Das ist auch der Grund dafür, warum es länger dauert, einen Akku zu laden, wenn das Notebook in Betrieb ist, als wenn es ausgeschaltet ist und das Ladegerät die abgegebene Spannung nicht aufteilen muss. Sobald die Akkus aufgeladen sind, schaltet die Elektronik die Stromzufuhr für die Akkus ab, die dann automatisch keinen Strom mehr bekommen, wodurch das Überladen verhindert wird.

Zum Glück haben Li-Ionen-Akkus auch einen Horror davor, überladen zu werden (durch Überladen entsteht Wasserstoff, und der Druck steigt, was zu einer Explosion führen kann). Deshalb muss man auch unbedingt das mitgelieferte Ladegerät benutzen und die Akkus unter Beachtung der Herstellerhinweise laden. Sämtliche digitalen Produkte vom Notebook bis zum digitalen Walkman werden mit einem Ladegerät geliefert, und man muss unbedingt dieses benutzen und kein anderes. Ein ungeeignetes Ladegerät kann eine Explosion verursachen. Um genau zu sein: Man kann sich getrost ein leistungsfähigeres Ladegerät als das vom Hersteller gelieferte besorgen - unter der Bedingung, dass es nicht mehr Spannung als das Originalladegerät liefert.

Ladespannung

Im Durchschnitt liegt die Ladespannung für Notebook-Akkus bei 4,2 V pro Zelle, und wenn sie jemals steigen sollte, und sei es nur um 0,1 V/Zelle, dann müsste die Elektronik das Laden stoppen. Früher lag die Grenze bei 4,1 V/Zelle, doch konnte diese Grenze durch Zugabe eines chemischen Mittels angehoben werden. Das Problem ist, dass das Anheben der Ladespannung die Kapazität des Akkus erhöhen, dafür aber seine Lebensdauer erheblich verkürzen kann.

Nimmt man jedoch das Ladegerät des Testnotebooks, stellt man fest, dass darauf 20 V Spannung angegeben werden. Wie kommt das? Die Akkus des Testnotebooks haben einen 4S2P-Aufbau. Das bedeutet, dass 4 Zellen in Reihe geschaltet sind und dass die Spannung, die das Ladegerät liefert, deshalb durch 4 geteilt wird (wie man die Spannung der Zellen auch mit 4 multipliziert, um die Gesamtspannung des Akkus zu ermitteln). Da 2 bis 3 Volt für die Spannungsregelung oder für elektronische Verluste bereitgestellt werden, hat man am Ende noch 17 V, also 4,25 V/Zelle, was dicht beim oben genannten Wert liegt. Man sieht also, wie wichtig es ist, das mit dem Notebook gelieferte Netzteil zu verwenden, um sicher zu sein, dass die Spannung auch von den Akkus unterstützt wird.

Diejenigen, die immer noch nicht überzeugt sind, können sich mit diesen Videos "abkühlen" (Video 1, Video 2, Video 3). Die fraglichen Akkus sind Li-Ionen-Polymer-Akkus, sie stehen aber dennoch dafür, was in der Praxis auch mit Li-Ionen-Akkus passieren kann. Es gilt außerdem darauf hinzuweisen, dass Superladegeräte, die Lithiumionen-Akkus neues Leben einhauchen sollen, gemieden werden sollten - eine tote Zelle kann nicht wieder zum Leben erweckt werden.

Die Frage, ob man den Akku in seinem Notebook lassen sollte oder nicht, wenn er an das Stromnetz angeschlossen ist, hat zahlreiche Diskussionen ausgelöst. Die Antwort hängt einzig von der individuellen Empfindlichkeit und den eigenen Möglichkeiten ab.

Den Akku im Notebook lassen

Wie oben gezeigt, liegt die optimale Ladetemperatur bei 20 °C, und selbst wenn das Notebook den Akku ab 10 % Ladungsverlust lädt, braucht man 10 Ladevorgänge, um einen Ladezyklus zu erreichen. Also keine Angst vor kleinen Aufladungen, im Gegenteil. Man weiß, dass ein Akku bei Wohntemperatur rund 10 % im Monat verliert. 6 bis 7 % werden den Akkuzellen zugeschrieben. Die Elektronik ist für weitere 3 % verantwortlich. Im Allgemeinen lädt ein Notebook seinen Akku auf, wenn er 5 % Ladung verloren hat. Zwei Ladevorgänge im Monat sind kein Problem, und ob der Akku im Notebook steckt oder im Schrank liegt, macht keinen Unterschied. Ein Li-Ionen-Akku hat im Schnitt eine Lebensdauer von 500 bis 1000 Ladezyklen.

Wenn man nun den Akku in einem Zimmer mit Wohntemperatur lagern möchte, dann kann man ihn genauso gut im Notebook lassen. Wenn das Notebook nämlich immer an das Stromnetz angeschlossen ist, dann neigt man dazu, den Akku zu vergessen. Es ist jedoch wichtig, einen kompletten Lade-/Entladezyklus pro Monat durchzuführen, indem man den Akku vollständig entlädt, um den Akku zu kalibrieren, ohne jedoch die 5 % Kapazität zu unterschreiten. Wenn sich der Akku im Notebook befindet, erinnert man sich leichter daran.

Den Akku nicht im Gerät lassen

Den Akku lassen diejenigen im Gerät, die ihn regelmäßig benötigen. Doch wie weiter unten deutlich wird, bewahrt man Akkus besser kühl auf. Wenn sich das Notebook nach relativ kurzer Nutzungsdauer (45 Min. bis 1 Std.) stark aufheizt, sollt man den Akku entfernen, wenn das Notebook ans Stromnetz angeschlossen ist. Das Notebook enthält Bauteile, die Wärme entwickeln und die die Temperatur des Akkus erhöhen können. Wenn sich das Notebook stark erwärmt, kann es darüber hinaus sein, dass die Temperatur beim Laden die 20 °C weit übersteigt, was nicht zu empfehlen ist, wie oben gezeigt wurde. Um es abzuschließen: Es ist gut, einen Akku an einem trockenen, kalten (0 °C) Ort zu lagern, wenn man ihn mehrere Monate lang nicht braucht. Man kann ihn also gut herausnehmen. Doch darf man den monatlichen Lade-/Entladezyklus zum Kalibrieren des Akkus nicht vergessen.

Achtung Gefahr!

Es ist nicht empfehlenswert, den Akku auseinanderzunehmen, um die Zellen auszuwechseln, statt den Akku komplett auszutauschen. Außerdem ist der Akku des Testnotebooks dabei unbrauchbar geworden. Der Hersteller hat dafür gesorgt, dass der Akku zerstört wird, sobald ihn ein Anwender öffnet. Für die Sicherheit des Anwenders ist das auch gut. Die Demontage kann einige Sicherheitsmechanismen unwirksam machen, ohne dass sich der Anwender darüber klar ist, was seine Hardware und seine Person in Gefahr bringen kann.

Um die Akkuzellen auszuwechseln, braucht man eine gewisse Erfahrung und genau die gleichen Zellen. Es sind nicht alle Zellen gleich, und es sind nicht alle dafür gemacht, mit anderen Akkuzellen in Reihe oder parallel geschaltet zu werden. Zudem erfordert jeder Akku genau seine Menge Zellen. Noch dazu verkaufen Hersteller von Li-Ionen-Akkuzellen in der Regel nur an zertifizierte Akkuhersteller. Es gibt allerdings in den Schwellenländern immer mehr "freie Verkäufer". So waren z. B. die Samsung ICR-1850 über eine chinesische Website erhältlich. Es ist jedoch dringendst davon abzuraten, diese Möglichkeit zu nutzen, da sie für den Akku, für das Notebook und für den Benutzer selbst gefährlich sein kann.

Der Akku muss mit 40 % Ladung aufbewahrt werden. Diese Grenze wurde aus Vorsicht festgelegt. Je niedriger die Grenze ist, desto größer ist das Risiko, dass der Akku vollständig entleert und damit endgültig beschädigt wird. Wenn man jedoch einen voll geladenen Akku über einen längeren Zeitraum lagert, ist das auch schlecht, weil er dann schneller an Kapazität verliert. Der Grund dafür ist, dass die interne Spannung größer ist, wenn der Akku voll ist, wodurch sich Stress und Abnutzung erhöhen. 40 % wurde darum von Fachleuten als der beste Kompromiss festgelegt.

Achtung! Es ist besser, diese 40 % beim Laden und nicht beim Entladen des Akkus zu erreichen. Das Betriebssystem misst nämlich das Ladeniveau im Verhältnis zur aktuellen Aktivität des Rechners. Wenn zum Beispiel das System unter Volllast läuft, berechnet es die restliche Laufzeit und die Laderate entsprechend, doch kann sich der Wert schnell ändern, wenn sich die Betriebsfrequenz des Prozessors oder die Helligkeit des Bildschirms ändert. Auch wenn das System heute sehr genau ist, ist es besser, die 40 % beim Laden des Akkus zu erreichen, wenn die Messung genau sein soll.

Das Problem der Wärme

Wärme wirkt sich unmittelbar auf Akkus aus. Es ist also wichtig, den Akku kühl und trocken aufzubewahren. Der beste Ort dafür ist der Kühlschrank. Man schätzt, dass ein Lithiumionen-Akku, der zu 40 % geladen ist und bei 0 °C aufbewahrt wird, 98 % seiner Kapazität über ein Jahr behält. Bei 25 °C (Wohntemperatur) hat er dann nur noch 96 % seiner Kapazität, bei 40 °C nur noch 85 %, und bei 60 °C sinkt die Kapazität auf 60 %. Wie bereits gesagt, verliert ein Akku monatlich rund 10 % seiner Ladung. Im Vergleich dazu behält ein voll geladener Akku, der ein Jahr lang bei 0 °C gelagert wird, 94 % seiner Kapazität. Bei 25 °C spricht man von 80 % gegenüber 65 % bei 40 °C.

Zur Information: Der Elektrolyt in den Akkuzellen gefriert ab -40 °C (nach L. M. Cristo und T. B. Atwater im Buch Characteristics and Behavior of 1M LiPF6 1EC:1DMC Electrolyte at Low Temperatures. Fort Monmouth, NJ: U.S. Army Research). Genau genommen wird dieser Wert lediglich diskutiert. Manche sprechen von -75 °C, andere von -30 °C. THG geht hier von dem Wert aus, der am sichersten scheint. Es war allerdings keine Quelle zu finden, die davon abrät, den Akku in den Kühlschrank zu legen und möglichst dicht an 0 °C zu kommen, die optimale Lagertemperatur.

Die Spuren der Zeit

Eine Feststellung mag schockierend gewirkt haben - die nämlich, dass unabhängig davon, bei welcher Temperatur oder mit welcher Ladung der Akku gelagert wird, ein Li-Ionen-Akku mit der Zeit Kapazität verliert. Ein Akku beginnt nämlich schon ab der Produktion zu altern. Das ist ein Resultat der Oxidation der Zellen, eine normale Erscheinung, wenn der Akku benutzt wird oder wenn er altert. Es ist also wichtig, das Herstellungsdatum eines Akkus vor dem oder beim Kauf zu kennen. Wenn man ihn über das Internet gekauft hat, sollte man ihn zurückschicken, wenn er über 6 Monate im Ladenregal gelegen hat. Denn das sind für den Anwender 6 verlorene Monate.

Und was macht man, wenn der Akku den Geist aufgegeben hat? Die Umweltrisiken sind gering, da diese Akkus so konstruiert sind, dass nichts austreten kann, und sie sind sicherer als beispielsweise Cadmiumzellen. Es ist jedoch klar, dass bei der Verbrennung giftige Gase entstehen. Wenn man von einem Recycling-Programm weiß, dann sollte man es natürlich nutzen und die Akkus in die entsprechenden Container entsorgen. Man kann auch die Regel "eins für eins" anwenden, die bei der Umsetzung der europäischen Richtlinie über die Wiederverwertung von Elektro- und Elektronik-Altgeräten im französischen Recht durch die Verordnung 2005-829 eingeführt wurde.

Diese Verordnung bestimmt unter anderem, dass ein Verkäufer (offline oder online) ausgediente Hardware unter der Bedingung annehmen muss, dass man ein ähnliches Produkt bei ihm gekauft hat (einen Monitor für einen Monitor, einen PC für einen PC) und dass man ihn darum bittet. Die Entsorgung soll kostenlos sein. Ein Akku fällt in die Kategorie der Elektro- und Elektronik-Altgeräte. Wenn man also ein Notebook oder einen Akku kauft, dann hat man das Recht, die Rücknahme eines Akkus oder eines Notebooks vom Händler zu verlangen. Schließlich gibt es die Ökosteuer genau deshalb, um die Kosten für diese Recycling-Bemühungen mitzufinanzieren.

Der Li-Ionen-Akku ist alles andere als erstarrt. Es ist kaum 10 Tage her, da haben amerikanische Forscher, die für das amerikanische Energieministerium arbeiten, eine neue Kathode vorgestellt. Ihre Besonderheit liegt darin, dass sie aus zwei Schichten Nanokristallen besteht und einen großen Anteil Mangan enthält. Zwar ist derzeit noch keine Massenproduktion in Aussicht, doch soll durch dieses Verfahren die doppelte Leistung erreicht werden.

Entwicklung

1999 tauchte der Lithium-Ionen-Polymer-Akku auf. Er wird in kleinen Peripheriegeräten eingesetzt, die wenig Strom verbrauchen (HP verwendet ihn etwa für seine Pocket PC oder Ultra-Portablen), sein Elektrolyt ist ein gelartiges Polymer. Der Vorteil ist, dass man kleinere Akkus herstellen kann, die beliebige Formen haben können, da man bei Gel auf die Metallhülle verzichten kann. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass der Akku weniger flüchtig und nicht so leicht entflammbar ist. Dafür ist jedoch die Energiedichte nicht so hoch wie bei einem klassischen Li-Ionen-Akku.

Derzeit kommt eine andere Akkuzelle auf, die ebenfalls vom Li-Ionen-Akku inspiriert ist. Das Lithium-Phosphat hat die Besonderheit, anstelle der herkömmlichen Kobaltdioxid-Kathode mit einer Kathode zu arbeiten, die Eisen und Phosphat in einer Mischung vom Typ LiFePO4 enthält. Dieser Akku hat den Vorteil, weniger flüchtig und weniger gefährlich zu sein. Der Sauerstoff wird darin nicht so leicht freigesetzt, wodurch eine exothermische Reaktion verhindert wird, wenn die Temperatur steigt. Diese Akkus sind noch nicht erhältlich, und man kann ihre Kapazität nicht mit Sicherheit angeben. Sie wurden erstmalig 1997 von Forschern der Universität von Texas in Austin (USA) vorgestellt und sind die Speerspitze des Unternehmens Valence.

Schöpfung

Die Wissenschaftler machen große Versprechungen für Brennstoffzellen, wie etwa 20 Stunden Laufzeit. Egal, welcher Brennstoff verwendet wird, das Prinzip ist das Gegenteil der Elektrolyse: man verwendet Wasserstoff und Sauerstoff, um Elektrizität zu erzeugen. Man schränkt diese Akkus nicht auf einfache Notebooks ein, sondern man stattet damit auch einige Prototypen von Personenwagen und bestimmte Großprojekte aus. Auf dem Massenmarkt und bei den Verbraucherprodukten wartet man immer noch auf sie. Doch bevor so ein Produkt marktfähig ist, muss es ernsthafte Hindernisse überwinden, wie etwa das Aufladen des Akkus mit Ethanol-Patronen, was einen erheblichen Gesinnungswandel erfordert.

Im zweiten Teil des Artikels geht es um die Laufzeit von Li-Ionen-Akkus in Notebooks unter verschiedenen Betriebssystemen und darum, was man wissen muss, um kostbare Minuten zu sparen.