Warum werden Akkus mit der Zeit schlechter?

Jeder, der sein Smartphone über mehrere Monate oder gar Jahre hinweg verwendet, wird den Effekt früher oder später bemerken: Der Akku hält nicht mehr so lange wie am ersten Tag. Selbst das Entfernen von akkufressenden Apps oder das Zurücksetzen auf Werkseinstellungen führt nicht zu einer Laufzeit, wie man ihn vom neuwertigen Handy gewohnt ist. Es ist keine Einbildung, Akkus verlieren durch die Nutzung an Kapazität. Doch warum ist das eigentlich so? Um es zu verstehen, muss man zuerst grundlegend wissen, wie Akkus funktionieren.

In Handys kommen heute fast ausschließlich Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Einsatz. Ihr Funktionsprinzip basiert darauf, dass aus elektrischer Energie (aus der Steckdose) chemische Energie (im Akku) wird. Schaltet man das Handy ein, wird die chemische Energie wieder in elektrische umgewandelt. Der Aufbau ist immer der gleiche.

Aufbau eines Akkus

Ein Akku besteht aus einer negativen Elektrode (Anode, meist aus Graphit), einer positiven Elektrode (Kathode, aus einem Lithium-Metall-Oxid) sowie einem Elektrolyt. Beim Laden wandern Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode. Wird die chemische Energie dann bei der Nutzung wieder in elektrische umgewandelt, wandern sie in die andere Richtung.

Zwischen den Polen liegt eine dünne Folie, die Separator genannt wird. Ist jene beschädigt, kommt es zum Kurzschluss. Im schlimmsten Fall führt das zum Abbrennen, dem gefürchteten Thermal Runway. 

Dem Phänomen, dass Akkus mit jeder Ladung und Entladung ein kleines Stück schwächer werden, hat sich der Universitätsprofessor Steve W. Martin in einem Blogpost gewidmet. Bekannt ist das Phänomen unter der Bezeichnung Capacity Loss, also Kapazitätsverlust. Dieses Phänomen ist laut Martin ein Resultat des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Sinngemäß besagt er, dass, wenn es zu einer Zustandsänderung kommt, Energie “verloren” geht bzw. in Wärme umgewandelt wird. Die verlorene Energie kann nicht mehr wiederhergestellt werden.

Glas Wasser

Martin vergleicht es mit dem Vorgang, wenn man Wasser zwischen zwei Gläsern hin- und her schüttet. Selbst wenn man noch so gut aufpasst, werden immer einige Tropfen vorbeigehen, auch wenn sie vielleicht unsichtbar sind. Bei hundert- oder tausendfachen hin- und herschütten summiert sich das verlorengegangene Wasser.

Ähnliches passiert beim Laden und Entladen eines Akkus. Bei jedem Lade- und Entladevorgang bilden sich Nebenprodukte, die sich in Summe negativ auf die Kapazität auswirken. Das Stichwort bei den Akkus lautet, laut einer vor zwei Jahren im "Journal of The Electrochemical Society" publizierten Studie, Oxidation. Bei der Wanderung der Lithium-Ionen oxidieren die Metalle, wodurch ungewollte Stoffe entstehen, die die Lithium-Ionen “fangen” und somit unbrauchbar machen. “Tröpfchenweise” wird so die Kapazität geringer, der Akku hält immer kürzer.

Ein ewig-haltender Akku ist laut der Studie darum nicht möglich. Dem stimmt auch der Materialtechniker Martin zu: “Bisher gibt es nichts, was darauf hindeutet, dass wir die grundlegenden Gesetze der Wissenschaft überwinden können, um eine derartige Batterie zu bekommen.”

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