Eine Batterie funktioniert nie besser als beim allerersten Aufladen. Das liegt in ihrer Natur: Sie speichern Energie für uns, aber sie tun dies jedes Mal weniger effizient, wenn wir sie aufladen.
Nicht, dass es nicht Dinge gibt, die wir tun können, damit Batterien ihre Ladung besser halten, wie Experten wie Venkat Srinivasan gerne raten. „Benutzen Sie Ihren Laptop nicht wie einen Schreibtisch“, sagt er. „Wenn er voll aufgeladen ist, ziehen Sie den Stecker.
Als er das sagte, konnte ich nicht umhin, nervös auf den Laptop hinunterzublicken, auf dem ich seine Worte eifrig niederschrieb. Natürlich war er eingesteckt. Natürlich war das mindestens seit gestern so, und natürlich war das, was einmal mindestens ein paar Stunden Akkulaufzeit hatte, jetzt wahrscheinlich höchstens noch eine halbe Stunde unangeschlossen. Hoffentlich konnte Srinivasan mein schlechtes Batteriemanagement nicht erkennen, nur weil er sich mit mir unterhielt.
Srinivasan ist einer der leitenden Forscher, die am Argonne National Laboratory, das eine halbe Stunde südwestlich von Chicago liegt, die Wissenschaft der Batterien erforschen. Er kennt alle Tricks, wie man verhindern kann, dass ein Handy- oder Laptop-Akku seine Ladefähigkeit verliert. Das Hauptgeheimnis, sagt er, besteht darin, das Gerät nie ganz aufzuladen.
„Das Beste, was man tun kann, ist, den Ladezustand auf 70 oder 80 Prozent zu bringen, nicht darüber hinauszugehen und in diesem Bereich zu bleiben“, sagt er. Der Grund für diesen Ratschlag liegt in der chemischen Struktur der Lithium-Ionen-Batterie, die die meisten Unterhaltungselektronikgeräte und zunehmend auch Elektrofahrzeuge antreibt. Durch das Laden und Entladen eines Akkus können sich die Materialien ausdehnen und zusammenziehen, wodurch der gesamte Akku unter Stress gerät und seine Lebensdauer verkürzt wird.
Wenn man einen Handy-Akku so lange laufen lässt, bis er leer ist, und ihn dann wieder zu 100 Prozent auflädt, kann es sein, dass er nur ein paar hundert Zyklen hat, bevor er nicht mehr funktioniert. Jemand, der sich absurderweise dafür einsetzt, die Schwingungen eines Akkus winzig klein zu halten – sagen wir zwischen 75 und 78 Prozent – könnte nach Srinivasans Berechnungen bis zu 300.000 Zyklen herausholen.
Srinivasan räumt ein, dass diese Art von präzisem Akkumanagement für die meisten Menschen mit Sicherheit mehr Ärger bedeutet, als es wert ist, daher empfiehlt er einen einfacheren Ansatz, um die Akkus aufzuladen.
Abgesehen von den strukturellen Bedenken, warum ist es so schädlich für eine Batterie, sie voll aufzuladen oder auch nur ganz aufzuladen?
Die Antwort liegt in der unnachgiebigen, flüchtigen mikroskopischen Umgebung innerhalb dieser tragbaren Kraftwerke. Von der ersten Ladung an befinden sich die Batterien auf verlorenem Posten mit ihrer eigenen Chemie.
Aufladbare Batterien wie die in einem Telefon oder Laptop erzeugen elektrischen Strom durch die Bewegung geladener Teilchen oder Ionen des Elements Lithium zwischen den Elektroden – deshalb nennt man sie Lithium-Ionen-Batterien.
Wenn sich eine Batterie entlädt, bewegen sich die Teilchen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode, auch Anode bzw. Kathode genannt. Beim Aufladen kehrt sich der Vorgang um. Bei Lithium-Ionen-Batterien besteht die Anode in der Regel aus einer elektrisch leitenden Kohlenstoffverbindung wie Graphit, während die Kathode aus einer Verbindung auf Lithiumbasis besteht, die die Lithiumionen aufnehmen und wieder abgeben kann.
Hier beginnt das Problem, wenn beispielsweise ein Telefon die ganze Nacht eingesteckt bleibt. Die Ionen reagieren mit der Kathode in einem chemischen Prozess, der als Oxidation bezeichnet wird und einen Teil des Lithiums in der Batterie verbraucht. Je länger diese Reaktionen andauern, desto mehr Teilchen gehen verloren, die zur Aufrechterhaltung des Batteriestroms benötigt werden. Es dauert nicht mehr so lange, die Partikel zu entladen, was bedeutet, dass die Batterie viel schneller leer ist als früher. Das Problem kann sich noch verschlimmern, wenn der Akku zu schnell aufgeladen wird, was ebenfalls seine Kapazität verringert.
Akkus sind nicht nur durch Überladung gefährdet, da sich das chemische Milieu unaufhaltsam verschlechtert, selbst wenn man immer genau darauf achtet, wann man den Stecker zieht.
„Bei den Lithium-Ionen gehen einige von ihnen verloren“, erklärt der Materialwissenschaftler Michael Toney, Forscher am SLAC National Accelerator Laboratory in der Nähe der Universität Stanford. „Sie bleiben an Stellen hängen, an denen sie nicht mehr zwischen Anode und Kathode hin- und herpendeln können. Teile der Anode oder Kathode werden elektronisch vom Stromkollektor abgekoppelt. Das ist der Teil der Batterie, der die Elektronen sammelt, die beim Laden und Entladen der Batterie hin- und herfließen.“
Die Lithium-Ionen bewegen sich zwischen den Elektroden durch flüssige Chemikalien, die Elektrolyte genannt werden. Diese Elektrolyte sind für den gesamten Betrieb unerlässlich, aber sie führen auch zu Reaktionen mit der Anode, die die Lebensdauer der Batterie verkürzen.
„Die Natur will leider, dass diese Reaktion stattfindet, also wird sie stattfinden“, so Srinivasan. Alles, was die Batterieentwickler tun können, ist zu versuchen, diese Reaktion auf ein Minimum zu beschränken. „Aber das ist nicht perfekt. Das kann sich rächen.“
So empfindlich Lithium-Ionen-Akkus auch sein mögen, die meisten Menschen werden das Problem wahrscheinlich gar nicht bemerken, weil sie ihr Telefon oder ihren Laptop nicht so lange benutzen, dass die Ladesituation wirklich ernst wird. Es mag eine fast unbewusste Resignation geben, dass es an der Zeit ist, aufzugeben und den Laptop als permanent angeschlossenen Desktop zu verwenden, oder ein vages Gefühl, dass das Handy nicht annähernd die Akkulaufzeit hat, die beworben wurde. Aber wenn Sie nicht vorhaben, Ihre Elektronik länger als drei Jahre zu behalten, ist das kein großes Problem.
Aber was ist mit Elektroautos, die mit viel größeren Versionen ähnlicher Lithium-Ionen-Batterien fahren? Die meisten Menschen, die mehr als 70.000 Dollar für ein Tesla-Auto ausgeben, wollen, dass die Batterie mehrere Jahre lang, vielleicht sogar ein Jahrzehnt oder länger, eine Ladung hält. Wenn überhaupt, dann stellen Elektrofahrzeuge einzigartige Probleme bei der Verwaltung der Ladung dar, die bei Haushaltselektronik nicht auftreten.
„Wenn man normalerweise auf das Gaspedal tritt, soll das Auto entsprechend reagieren“, sagte Toney. „Das kann die Batterie für eine kurze Zeit sehr stark belasten.
Abgesehen vom regelmäßigen Gebrauch reagieren alle Batterien empfindlich auf Temperaturschwankungen, und einige Telefon- oder Laptop-Batterien sind so programmiert, dass sie sich automatisch abschalten, wenn sie zu heiß werden. Eine Tesla-Batterie, die etwa 8.000 Handy-Akkus entspricht, kann während des Gebrauchs noch viel heißer werden. Und es ist möglich, dass sich die Ladestation an einem kühlen Ort befindet, was zu gefährlichen Temperaturschwankungen führen kann.
Es stellt sich auch die Frage, wie schnell ein Elektrofahrzeug aufgeladen werden muss. Derzeit begnügen sich viele Elektroautofahrer damit, ihr Fahrzeug über Nacht aufzuladen, was bedeutet, dass die Autobatterie sicher und langsam wieder aufgeladen werden kann. Aber jede zukünftige Infrastruktur für Elektroautos wird das Äquivalent zu Tankstellen brauchen – Orte, an denen die Fahrer auf langen Fahrten auftanken können.
„Idealerweise möchten wir, dass Elektrofahrzeuge in weniger als 15 Minuten aufgeladen sind, was dem Punkt entspricht, an dem man sich vorstellt, dass jemand an einer Ladestation hält, auf die Toilette geht, etwas zu trinken holt und dann wieder auflädt“, sagte Toney. „Das verbraucht eine Menge Strom, und die Batterien können das noch nicht leisten. Sie werden nicht bis zur vollen Kapazität aufgeladen.
Die Lithium-Ionen-Batterie ist eine bemerkenswerte Erfindung, die zu technologischen Revolutionen bei der Nutzung von Computern, Telefonen und schließlich Autos beiträgt. Aber dieselbe interne Chemie, die sie so ideal für die Stromversorgung unserer unentbehrlichen Geräte macht, bedeutet auch, dass ihre Zeit von Natur aus begrenzt ist.
Batterien dazu zu bringen, eine Ladung länger zu halten, ist eines der vielen grundlegenden Probleme, mit denen sich Batteriewissenschaftler auseinandersetzen wollen, sei es durch die Verbesserung der bereits existierenden Einrichtung oder durch die Entwicklung von etwas Neuem und Besserem.
Während wir warten, sollten wir Srinivasans Rat befolgen: „Lassen Sie wenigstens Ihren Laptop nicht eingesteckt!“ Zumindest für diejenigen von uns, die die Akkulaufzeit ihres Computers noch nicht völlig ruiniert haben.