Warum ist der Akku Ihres Telefons immer noch fast leer?

Viele der heutigen Mobiltelefone verfügen über Akkukapazitäten von über 4000 mAh, was bedeutet, dass sie länger halten (natürlich wurde bei den neuen Chips einiger Mobiltelefone auch viel Arbeit in die Stromeinsparung gesteckt), aber je leichter das Telefon ist, desto besser fühlt es sich an. Die Designkonzepte verschiedener Marken haben alle ihre eigenen Vorzüge.

Bei Mobiltelefonen, von den ursprünglichen „großen Brüdern“ bis hin zu den heutigen Smartphones, hat die Akkukapazität eher einen Sprung als eine Zunahme erlebt. Unsere Sorgen um Batterien haben sich jedoch keineswegs gelegt. Warum können unsere immer fortschrittlicheren Batterien die steigenden Ansprüche der Menschen an die Batterielebensdauer nicht erfüllen?

Die Geschichte der Mobiltelefonentwicklung ist auch eine Geschichte der Batterieangst

1973 erfand Martin Cooper, ein amerikanischer Ingenieur von Motorola, das erste echte Mobiltelefon der Welt. Allerdings gleicht die Bedienung dieses Telefons eher dem Heben von Gewichten als dem Telefonieren, da es 2 Kilogramm wiegt.

Im Vergleich zu den sogenannten „Mobiltelefonen“ davor ist das Gewicht von Coopers Mobiltelefon viel geringer. Wissen Sie, das in den 1950er Jahren vom schwedischen Unternehmen Ericsson produzierte „Mobiltelefon“ wog allein an Batterien fast 40 Kilogramm und konnte nicht mit der Hand bedient werden.

Zehn Jahre später wurde der „Big Brother“, wie wir ihn kennen, geboren. Als erstes kommerzielles Mobiltelefon der Menschheitsgeschichte ist es kein Leichtgewicht: Es wiegt fast 0,9 Kilogramm.

Die Hälfte des riesigen Gehäuses des „großen Bruders“ besteht aus einem Akku, dessen Kapazität jedoch nur 500 mAh beträgt und dessen vollständige Aufladung 10 Stunden dauert. Nach dem vollständigen Aufladen können Sie nur 30 Minuten lang telefonieren, wodurch Sie tatsächlich „2 Stunden laden und 5 Minuten sprechen“ erreichen.

Bei der im „großen Bruder“ verwendeten Batterie handelt es sich um eine Nickel-Cadmium-Batterie, die in den 1980er Jahren sehr fortschrittlich war. Wie der Name schon sagt, haben Nickel-Cadmium-Batterien an einem Ende Nickel (positive Elektrode, 2NiOOH) und am anderen Ende Cadmium (negative Elektrode, Cd). Die Batterielösung ist Natriumhydroxid (NaOH). Beim Entladen der Batterie reagiert das Cadmium an der negativen Elektrode mit zwei OH-, wobei zwei Elektronen freigesetzt werden, wodurch an der positiven Elektrode zwei neue OH- entstehen und die Konzentration der Batterielösung unverändert bleibt.

▲ Funktionsprinzip der Nickel-Cadmium-Batterie. Grafik/Zhang Yuchen

Im Vergleich zur ersten Generation wiederaufladbarer Blei-Säure-Batterien (die noch nie in Mobiltelefonen verwendet wurden) sind Nickel-Cadmium-Batterien kleiner, haben höhere Stromstärken und können problemlos 500 Mal geladen und entladen werden. Natürlich haben sie auch viele Nachteile, wie etwa, dass die Batterie anfällig für Überhitzung ist, das Cadmiumelement giftig ist und sich nur schwer recyceln lässt usw., aber keines dieser Probleme ist so schwerwiegend wie der Memory-Effekt.

Der sogenannte Memory-Effekt führt dazu, dass die Kapazität des Akkus abnimmt, wenn dieser geladen wird, bevor er vollständig entladen ist. Wenn Sie beispielsweise häufig mit dem Laden beginnen, wenn noch 50 % Leistung übrig sind, „denkt“ der Akku mit der Zeit, dass die Mindestleistung des Akkus 50 % beträgt.

Für ein Mobiltelefon, mit dem man nur eine halbe Stunde lang telefonieren kann, ist der Memory-Effekt fatal, so fatal, dass man dieses Zehntausende Dollar teure Telefon vielleicht sogar wegwerfen möchte. Der Schatten des Memory-Effekts wirkt sich sogar heute noch auf uns aus. Viele Menschen glauben bei der Verwendung heutiger Lithiumbatterien immer noch unbewusst, dass es besser sei, die Batterie vor dem Aufladen des Telefons zu entladen (tatsächlich ist es genau umgekehrt).

Erst 1989 wurde mit der Markteinführung einer neuen Generation von Nickel-Wasserstoff-Batterien das durch den Memory-Effekt verursachte Leistungsproblem gemildert. NiMH-Akkus sind ungiftig, haben einen Memory-Effekt, lassen sich aber leicht wiederherstellen und verfügen über eine größere Kapazität: Ein 1997 auf den Markt gebrachtes Mobiltelefon mit NiMH-Akkus hatte eine Akkukapazität von 1300 mAh.

Allerdings bringen NiMH-Akkus auch ihre eigenen Probleme mit sich. Sie erzeugen viel Wärme und verlieren viel Strom, wenn sie nicht verwendet werden. Selbst wenn Sie das Telefon ausschalten, kann dies nicht verhindern, dass der Akku leer wird. Daher wurden auch Nickel-Metallhydrid-Batterien ersetzt, da Lithiumbatterien, die Stromquelle von Mobiltelefonen, nach und nach im Handel erhältlich sind.

Das Licht des Mobiltelefons – Lithiumbatterie

Im Jahr 1991 kamen Lithium-Ionen-Akkus, die wir oft als Lithiumbatterien bezeichnen, erstmals auf den Markt und Mobiltelefone erreichten endlich eine lange und stabile Akkulaufzeit. Man kann sagen, dass es ohne die Unterstützung von Lithiumbatterien heute keine leistungsstarken Mobiltelefone und verschiedenen Apps gäbe.

Lithiumbatterien unterscheiden sich von Nickel-Cadmium-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien. Beim Laden und Entladen der beiden letzteren laufen Elektronen und OH- hin und her, während Nickel und andere Metalle stationär sind. In Lithiumbatterien laufen Lithiumionen und Elektronen hin und her.

Nehmen wir die Lithiumbatterie, die wir heute allgemein verwenden. Seine negative Elektrode besteht im Allgemeinen aus einer Graphitplattenstruktur, und die Lithiumatome sind zwischen diesen Platten „eingeklemmt“. Die positive Elektrode kann aus verschiedenen Arten von Metalloxiden bestehen, die eine Gitterform aufweisen und in denen auch Lithiumatome versteckt sein können. Der Lade- und Entladevorgang einer Batterie mit dieser Struktur besteht eigentlich darin, dass die Lithiumionen aus dem „Käfig“ entweichen und durch die Membran in der Mitte der Batterie gelangen, und die Elektronen durch die Drähte hin und her laufen.

▲ Das Funktionsprinzip von Lithiumbatterien. Die Gitterstruktur dient hier nur zur Veranschaulichung. Die Gitterstrukturen verschiedener Materialien sind unterschiedlich. Grafik/Zhang Yuchen

Im Vergleich zu den beiden anderen Batterietypen haben Lithiumbatterien eine große Kapazität, keinen Memory-Effekt und erzeugen weniger Wärme. Abgesehen von den hohen Kosten haben sie fast keine Nachteile. Die kleinen Tablet-Computer mit der extrem langen Akkulaufzeit, an die sich die in den 1980er Jahren Geborenen noch erinnern, wurden alle durch Lithiumbatterien ermöglicht.

Die Kapazität heutiger Lithiumbatterien hat sich im Vergleich zu früher verwendeten Lithiumbatterien um ein Vielfaches erhöht, die Geschwindigkeit dieses Anstiegs kann jedoch noch immer nicht mit dem Tempo der Zeit Schritt halten.

Heutige Smartphones verfügen über eine fortschrittliche Leistung und sind praktisch eine Kombination aus Kamera und Computer. Verschiedene umfangreiche Softwareprogramme und Instant-Messaging-Programme verbrauchen viel Strom. Große Bildschirme und hochauflösende 120-Hz-Bildschirme erhöhen ebenfalls den Stromverbrauch. Andererseits verbringen wir immer mehr Zeit mit unseren Mobiltelefonen.

Können Lithiumbatterien nicht weiterentwickelt werden, um leistungsstärker und langlebiger zu werden? Ich fürchte, es ist schwierig!

Um die Leistung von Lithiumbatterien zu verbessern, muss lediglich der Anteil der Lithiumatome erhöht werden. Aktuell liegt der Anteil an Lithiumatomen in Lithium-Ionen-Akkus bei unter 1 %. Es scheint, dass noch viel Raum für Verbesserungen besteht, die Sicherheit nach der Verbesserung kann jedoch nicht garantiert werden. Auf konkrete Beispiele wird hier nicht näher eingegangen.

Durch Überladung und Tiefentladung kann es leicht zur Zerstörung des positiven und negativen Elektrodengittersystems der Lithiumbatterie und damit zu einer Aufwölbung kommen.

Wie lädt man Lithiumbatterien auf?

Lithiumbatterien haben keinen Memory-Effekt, sind jedoch anfällig für Tiefentladung und Überladung. Übermäßiges Entladen und Laden führt dazu, dass einige Lithiumatome fest in die positiven und negativen Elektroden „gepresst“ werden und nicht entweichen können, was zu einer Verringerung der Batteriekapazität führt. Daher können Lithiumbatterien im Allgemeinen geladen werden, wenn noch 20 % Leistung übrig sind, und der Ladevorgang kann beendet werden, wenn 90 % erreicht sind.

Allerdings verfügen alle Lithiumbatterien in modernen Mobiltelefonen über Schutzschaltungen, die den Stromkreis bei Überladung unterbrechen. Vermeiden Sie dennoch das Aufladen über Nacht.

Darüber hinaus führt das Spielen von Handyspielen während des Ladevorgangs zu einem Anstieg der Akkutemperatur und verkürzt seine Lebensdauer.

Wann wird die Batterie-Angst gelöst?

Die einzige Möglichkeit, die Batterieangst grundlegend zu lösen, besteht darin, die Batterie zu verbessern.

Wissenschaftler haben die Lithiumbatterien bisher nicht aufgegeben. Sowohl Silizium als auch Lithiummetall werden als mögliche Materialien für negative Elektroden angesehen. Vor einigen Jahren versuchten Wissenschaftler der Nanyang Technological University in Singapur, Graphit durch Titandioxidgel zu ersetzen. Diese Verbesserung beschleunigte jedoch lediglich das Laden, ohne die Kapazität zu erhöhen.

Lithium-Schwefel-Batterien mit Schwefel als Anode gehören zu den Technologien mit den größten Erfolgsaussichten auf kurze Sicht. Das Problem der schnellen Verschlechterung des Elektrolyten nach kontinuierlichem Laden in Lithium-Schwefel-Batterien ist jedoch schwer zu lösen.

Darüber hinaus versucht man, den Elektrolyten in Lithiumbatterien durch feste Substanzen zu ersetzen, damit keine Gefahr von Durchschlägen und Kurzschlüssen besteht. Allerdings kann der Kontakt zwischen Feststoffen und den positiven und negativen Elektroden nicht so eng sein wie bei Flüssigkeiten, und die elektrische Leitfähigkeit lässt sich nur schwer verbessern.

Neben Lithiumbatterien bieten auch Brennstoffzellen eine neue Möglichkeit für die Zukunft der Batterien. In Japan sind beispielsweise mittlerweile wasserstoffbetriebene Autos auf dem Markt, ob dieser Batterietyp jedoch auch in Mobiltelefonen eingesetzt werden kann, ist noch unklar.

Als die Batterietechnologie noch nicht den Durchbruch geschafft hatte, konnten wir mit Schnellladen schon einige unserer Ängste lösen, wie zum Beispiel mit dem Werbeslogan: „5 Minuten laden, 2 Stunden sprechen.“ Damals betrug die Schnellladeleistung von Mobiltelefonen lediglich 20 W, heute können Handy-Ladegeräte jedoch 100 W erreichen.

Unter den gegebenen Bedingungen der Batterieschutztechnologie können Schäden, die durch schnelles Laden bei Lithiumbatterien entstehen, grundsätzlich vernachlässigt werden. Tatsächlich denken Sie oft schon über den Kauf eines neuen Handymodells nach, bevor der Akku Ihres Handys leer ist!

Natürlich gibt es auch eine einfachste und umweltfreundlichste Möglichkeit, die Batterie-Angst zu lösen: Legen Sie Ihr Telefon weg und gönnen Sie Ihren Augen eine gute Pause~

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften (ID: cas-iop), China National Geographic BOOK

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