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Wieso halten Smartphone-Akkus nur so kurz?

Trotz Forschungserfolgen wird uns das Problem der zu kurz haltenden Akkus noch jahrelang begleiten.

Im Jahr 2000 hat ein Handy mit 900-mAh-Akku über eine Woche gehalten. Heute haben Smartphone-Spitzenmodelle um die 3.500 mAh und halten mit etwas Glück einen Tag. Was ist in den fast 20 Jahren technologischer Fortschritt schiefgegangen? Wieso halten Smartphone-Akkus nur so kurz? In der Rubrik „frag die futurezone“ nehmen wir uns dieser Fragen unserer User an.

Was Rückenschmerzen und Übergewicht für die Menschheit sind, sind kurzhaltende Akkus für Smartphones. Die Industrialisierung und Modernisierung geht schneller voran, als sich der menschliche Körper anpassen kann. Ähnlich ist es beim Smartphone: Displays, Kameras und Prozessoren entwickeln sich schneller weiter, als die Akkus.

Bei Prozessoren kann etwa durch kleinere Fertigungsmethoden mehr Leistung auf einem Chip gepackt werden. Beim Akku sind aber physische Grenzen gesetzt, die nahezu erreicht sind. Was passiert, wenn man diese ignoriert, war beim Galaxy Note 7 zu beobachten. Ein möglichst großer Akku wurde in das Gehäuse des Smartphones gequetscht. Dadurch konnten die Schichten im Akku beschädigt werden, was einen Kurzschluss und das damit verbundene explosionsartige Abbrennen (Thermal Runaway) auslöste.

3310 versus Galaxy S10

Hier ein Versuch um zu veranschaulichen, wie die Entwicklung von Rechenleistung und Akkuleistung auseinandergeht. Das Nokia 3310 erschien im Jahr 2000. Es hatte einen Einkern-Prozessor in 130 Nanometer-Bauweise. Das Samsung Galaxy S10 hat einen 8-Kern-Prozessor in 8-Nanometer-Bauweise. Das bedeutet, dass die Packungsdichte des Prozessors 264-fach höher ist. Höhere Packungsdichte heißt mehr Leistung. Der Akku des 3310 war 900 mAh groß. Der Akku des Galaxy S10 ist 3.400 mAh groß. Das ist eine Steigerung um nur das 3,8-fache.

Ein anderes Beispiel ist das Display, das der größte Stromfresser beim Smartphone ist. Der Bildschirm des Nokia 3310 war Schwarz-Weiß, 1,5 Zoll groß und hatte 4.032 Pixel. Das AMOLED-Display des Galaxy S10 ist 6,1 Zoll groß und hat über 4 Millionen Pixel. Das heißt es müssen um das 1.000-fache mehr Pixel dargestellt werden, was entsprechend viel Energie benötigt.

Effizientere Smartphones

Bei solchen Steigerungen ist es fast schon verwunderlich, dass ein nur 3,8-fach größerer Akku einen Tag durchhält, statt bloß ein paar Stunden. Dies zeigt, wie wenig effizient die Technologie damals noch war und wie effizient sie mittlerweile geworden ist. Die bereits zuvor erwähnte Packungsdichte bei Chips trägt auch dazu bei, dass Prozessoren weniger Energie benötigen.

Auch wenn es für frustrierte Smartphone-Besitzer nicht so wirkt, wurden die Akkus stetig weiterentwickelt. Durch die Miniaturisierung und neue Fertigungsmethoden passt ein 3.400-mAh-Akku in ein 7,8mm dünnes Galaxy S10, das alle Stücke spielt. Auf dem 22mm dicken Nokia 3310 konnte man SMS verschicken und Snake II spielen.

Battery low energy to running

Feststoffakku

Weil sich die Schichten in den Akkus, die als Energiespeicher dienen, kaum noch dichter packen lassen, ohne ein neues Galaxy Note 7 zu riskieren, gehen die Forschungen jetzt in Richtung neue Materialien. Bei derzeitigen Lithium-Ionen-Akkus ist zwischen Anode und Kathode ein flüssiger Elektrolyt. Wenn der Elektrolyt durch einen festen Stoff ausgetauscht wird, lässt sich eine höhere Energiedichte erzielen. Das heißt bei gleicher Größe bis zu zehnfach mehr Leistung, wenn es nach der Meinung einiger Forscher geht.

Sogenannte Feststoffbatterien werden aber noch auf sich warten lassen. Derzeit sind es vor allem Hersteller von Elektroautos, die daran forschen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Feststoffbatterien frühestens 2025 in Serienfahrzeugen zu finden sein werden und die Reichweite von E-Autos dadurch verdoppelt wird.

Ob diese Prognose auch für Smartphone-Akkus hält, ist ungewiss. Mit derzeitigen Methoden ist die Herstellung von Feststoffbatterien noch sehr teuer. In Luxus-Elektroautos lassen sie sich deshalb einfacher integrieren, als in Millionen Smartphones. Zudem muss daran geforscht werden, die Akkus in die richtige Größe für Smartphones zu bringen.

Zwischenlösung

Wie geht es jetzt aber weiter, wenn die Rechenleistung von Smartphones weiter zunimmt, eine neue Akku-Technologie aber noch Jahre oder gar Jahrzehnte entfernt scheint? Die Smartphone-Hersteller setzen auf intelligentes Energie-Management. So soll etwa das Smartphone per künstlicher Intelligenz lernen, wann und wofür der Nutzer Energie braucht. Nicht benötigte Funktionen werden automatisch in den Schlafmodus versetzen.

Auch die Schnelllade- und Drahtloslade-Funktionen werden laufend weiterentwickelt. So ist zumindest das Smartphone flotter und bequemer einsatzbereit, wenn es mal wieder am frühen Nachmittag nach Strom schreit. Das ist aber nur ein schwacher Trost für Handy-Vielnutzer, die noch eine Weile ein Akkupack zu ihren ständigen Begleitern zählen werden.

Feststoffbatterien könnten auch das Problem lösen, dass Akkus mit zunehmender Nutzung immer schwächer werden. Warum Akkus im Alter Leistung verlieren, könnt ihr hier nachlesen.

 

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