Egal ob Notebook-, Smartphone- oder Werkzeug-Akku: Sie sollen möglichst lange halten, und jedes Mal, wenn wir wenig Zeit haben oder unsere Geräte länger lagern, wenn wir viel unterwegs sind oder ein neues Gerät gekauft haben, stellt sich die Frage: Wie lade ich meinen Akku denn nun richtig? Wir zeigen Ihnen hier, wie Sie Ihre Akkus am besten laden und ihnen nicht schaden.
Immer dieser „Entlade-Ladezyklus“…
Wenn Sie sich im Netz oder in Fachzeitschriften über das Laden von Akkus informieren möchten, stoßen Sie immer und immer wieder auf einen Begriff: den Entlade-Ladezyklus. Aber was ist das überhaupt?
Wenn Sie Ihr Gerät aufladen, wird das allgemeinhin als ein Ladevorgang bezeichnet. Das Aufladen eines Gerätes ist nämlich nicht immer automatisch ein Ladezyklus. Ein Ladezyklus sind 100 % der Akkuanzeige. Wenn Sie Ihr Gerät also zum Beispiel bei 30 % restlichem Akku auf 100 % aufladen und ein paar Stunden später nach der Benutzung des Gerätes den Akku bei 70 % restlichem Akku nochmal auf 100 % aufladen, dann haben Sie Ihr Gerät zweimal geladen, also zwei Ladevorgänge, aber nur einen vollständigen Ladezyklus vollbracht.
Die Entladung findet unter anderem dann statt, wenn Sie Ihr Gerät mobil nutzen und den Akku verbrauchen. Der Akkustand wird weniger, er entlädt sich, spendet also Strom. Auch bei der Lagerung kann sich der Akku, ohne in Benutzung zu sein, entladen. Die Lebensdauer von Akkus wird weniger in Jahren genannt als in Lade- und Entladezyklen, da diese viel mehr über die Nutzungshäufigkeit aussagen. In unserer Übersicht finden Sie die theoretische Lebens- und Nutzungsdauer vier verschiedener Akku-Typen.
Beschützer des Akku: Laderegler oder Ladeschaltung
Als Schutz vor Überladung, Überhitzung oder Kurzschlüssen sind in allen Akkus unserer modernen mobilen Geräte sogenannte Lade-Elektroniken in Form von Ladereglern oder Ladeschaltungen verbaut. Sie helfen zudem, den Akku durch die optimale Regulierung des Ladestroms nicht überzubelasten.
Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akku)
In Li-Ion-Akkus sind manchmal elektronische Schaltungen eingebaut, die die Ladeschlussspannung und die Tiefentladespannung überwachen. In der Regel bezeichnet man diese nicht als Laderegler, da diese nicht als alleinige Regelglieder verwendet werden. Hier dienen die elektronischen Schaltungen vor allem dem Schutz des Akkus vor Zerstörung.
Die Elektroden eines Li-Ion-Akkus werden durch vollständiges Laden und Entladen stark belastet, was sich auf die Lebensdauer des Akkus auswirkt. Hängt ein Gerät permanent am Ladegerät, wirkt sich das auf die Ladeelektronik, also auf die Ladeschaltung oder den Laderegler aus. Es werden 100 % erreicht, dann wird Erhaltungsstrom geliefert oder der Ladevorgang wird unterbrochen bis die Akkukapazität wieder unter den Nennwert fällt und die Ladeelektronik ab diesem Zeitpunkt wieder aktiv lädt. Beide Fälle stellen eine Belastung für den Akku dar.
Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd-Akku)
NiCd-Akkus finden sich heute noch häufig in Geräten, die mit hoher Stromaufnahme versorgt werden müssen, wie beispielsweise Foto-Blitzgeräte und mobile Werkzeuge. Diese Akkus haben nicht direkt einen Laderegler oder eine Ladeschaltung. Der Grund hierfür liegt im Aufbau des NiCd-Akkus:
Die positive Elektrode einer NiCd-Zelle besteht aus Nickelhydroxid und die negative aus Cadmiumhydroxid. In der Regel wird die Leitfähigkeit der positiven Elektrode durch einen Graphitzusatz verbessert. Die negative Elektrode besteht aus pulverisierten Cadmiumverbindungen und auch sie hat zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit eingelagerte Graphitpartikel.
Es gibt zwei Arten von NiCd-Akkumulatoren, die mit offenen und die mit gasdichten Zellen. Während wir es bei Elektrofahrzeugen, Grubenlampen, Notstromversorgungen oder Starterbatterien, beispielsweise für Luftfahrzeuge, und verschiedenen zentralen Notstromversorgungssystemen für Notbeleuchtungen mit offenen Zellen zu tun haben, gebrauchen wir die geschlossenen Zellen weitaus häufiger: In unserem Alltag finden wir sie vor allem verbaut in Fernbedienungen, Spielzeug, Fotoapparaten oder elektrischen Werkzeugen.
Bei gasdichten NiCd-Zellen wird ein Anteil sogenannter „antipolarer Masse“ als Umpolschutz hinzugefügt, meist in Form von Cadmiumhydroxid. Die positive Nickel-Elektrode lässt sich viel schlechter Laden als die negative Cadmium-Elektrode. Der Zusatz von Cadmiumhydroxid bildet eine Ladereserve, welcher die Bindung von Wasserstoffgas verhindert. Die chemische Umwandlung des Wasserstoffs durch Oxidation an der positiven Elektrode verläuft sehr langsam, so dass er für Rekombinationszwecke in der Zelle nicht brauchbar ist. Der Wasserstoff-Überschuss, der zu einem Druckanstieg in der Zelle führen würde, nimmt die Ladereserve auf und sorgt gleichzeitig für einen Umpolschutz.
Wie wird eine Zelle umgepolt?
Bei vielzelligen Batterien und Akkus ist die Umpolung von einzelnen Zellen bei einer Tiefenentladung kaum zu vermeiden. Da die Kapazitäten trotz gleicher Anfangswerte im Laufe mehrere Zyklen von Zelle zu Zelle unterschiedlich sein können. Die Zellen altern individuell auf Grund von unterschiedlichen Herstellungstoleranzen und Betriebsbedingungen. Durch alle Zellen einer Serienschaltung fließt zwar der gleiche Strom, aber es können sich auf Grund der räumlichen Anordnung der Zellen unterschiedliche Zelltemperaturen ergeben. Und da das Altern der Zelle stark von der Temperatur abhängt, kommt es durch die unterschiedlichen Temperaturen zu unterschiedlichem Alterungsverhalten der Zellen. Je älter eine Zelle desto weniger belastbar ist sie.
Bei einer Reihenschaltung von fünf Akkus hieße das:
Wenn der schwache Akku nach nur einer Stunde leer, die anderen aber eine Stunde und drei Minuten brauchen, ergibt sich eine Differenz von drei Minuten. In dieser kurzen Zeit ist der schwache Akku leer, hat also 0 Volt, und die anderen vier Akkus pumpen ihre Energie weiter und zwingen sie dem schwachen Akku auf. . Bei diesem Vorgang wird der schwache, leere Akku zwangsweise umgepolt und von vollen Zellen wieder aufgeladen – aber mit verkehrter Polarität! Nach solch einem Vorgang ist die Zelle meist geschädigt und wird sich davon nie wieder vollständig erholen können.
So regelt der NiCd-Akku seine Ladung:
Bei einer Überladung des Akkus wird an der Cadmiumelektrode, also der negativen Elektrode, Wasserstoff gebildet und zeitgleich an der positiven Elektrode, also der Nickelelektrode, Sauerstoff produziert. Diesen Vorgang nennt man „ausgasen“. Da das in gasdichten Zellen aufgrund von Explosionsgefahr unbedingt verhindert werden muss, wird im NiCd-Akku die Cadmiumelektrode, also der Minus-Pol, überdimensioniert und dient somit automatisch als negative Entladereserve, also als „Laderegler“. Bei Überladung mit geringeren Laderaten stellt sich so ein Gleichgewicht zwischen Sauerstofffreisetzung und -verbrauch ein, so dass kein Wasserstoff gebildet wird und die Explosion ausbleibt.
Ein besonderer Vorteil des NiCd-Akkus ist, dass er auch bei Temperaturen unter 0 °C noch gut funktioniert. Allerdings hat er auch Nachteile: 1. Ist die Selbstentladung ein großer Nachteil dieses Akkutyps, 2. sind Nickelcadmium-Akkus aufgrund des verwendeten Cadmiums, einem giftigen Schwermetall, nicht besonders umweltfreundlich, falls sie unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Um dies zu vermeiden, sollten Sie Ihre gebrauchten Akkus richtig entsorgen.
Laden ist nicht gleich Laden
Die unterschiedlichen Aufbau-Arten der Akkus setzen einen jeweils anderen Umgang in Bezug auf den Ladevorgang voraus. Während wir uns noch den Kopf zerbrechen, wie man denn nun richtig lädt, gibt es für Smartphone, Werkzeug, Digitalkameras ,Tablet und Laptop und Co. ein paar Faustregeln, die Sie beachten können, um Ihrem Akku und somit auch Ihnen etwas Gutes zu tun.
Lithium-Ionen-Akkus
Während dem Ladevorgang empfiehlt es sich zudem, das zu ladende Gerät auszuschalten. So kann der Akku ohne Belastung laden. Bei extremen Temperaturen sollte möglichst auf das Laden verzichtet werden, da die Belastung des Akkus dadurch ebenfalls erhöht wird und dies zu einer Verringerung der Zyklenlebensdauer führen kann. Heißt also: Je höher/niedriger die Temperatur, also je wärmer/kälter der Akku, desto schneller altert er.
Als Faustregel sollten Sie sich merken:
Handy, Laptop, Tablet und andere Geräte, die einen Lithium-Ionen-Akku besitzen, sollten bei niedrigem Akku (zwischen 0 und 30 %) nicht für eine kurze Zeit geladen werden, ebenso wenig wie bei einem noch fast vollen Akku nicht schnell nachgeladen werden sollte.
Nickel-Cadmium-Akkus
Bei den Nickel-Cadmium-Akkumulatoren ist das Laden etwas komplizierter. Hier ist besonders darauf zu achten, den Ladevorgang im richtigen Moment zu stoppen. Hierfür gibt es verschiedene Parameter, die für die Ladesteuerung nützlich sind:
- Temperatur
- Ladestrom
- Kapazität
- Zeit
- Spannung
Die Technik in Ladegeräten ist so aufgebaut, dass sie versucht, den Ladevorgang genau dann zu stoppen, wenn der Akku voll ist. Hierfür bieten die Ladegeräte verschiedene Abschaltkriterien, die anhand der Parameter entwickelt wurden :
1. Die Ladezeit:
Hier wird der Ladevorgang nach einer bestimmten und vorher eingestellten Zeit abgebrochen. Für diese Aufgabe werden im einfachsten Fall Timer benutzt. Diese schalten den Ladestrom genau dann ab, wenn die eingestellte Zeit abgelaufen ist. Unabhängig davon, wie voll der Akku geladen wurde.
2. Die ΔU-Abschaltung
Hierbei wird ein definierter Spannungsrückgang am Ende der Ladekurve bewertet. Denn genau dann, wenn die Ladespannung trotz der weiter zugeführten Ladeenergie geringer wird, ist der Akku ganz aufgeladen. Dies erkennt das Gerät und schaltet ab.
3. Die maximale Ladespannung
Manche Ladegeräte reagieren auf die maximal erreichte Ladespannung. Sobald die Ladespannung also nur minimal geringer wird, schaltet das Ladegerät ab. Solange die Spannung des Akkus steigt, ist er in der Lage, die Ladeenergie zu speichern. Hierbei wird das Abschalten der Ladung nicht zu spät eingeleitet, sondern leicht verfrüht.
4. Die Temperaturabschaltung
Bei vergossenen Werkzeug-Akkus, die fest eingebaute Temperatursensoren haben, funktioniert diese Abschaltmethode tadellos. Bei einzelnen Akkuzellen ist sie aber eher problematisch: Oftmals ist hier der Sensor nicht anständig am Akku befestigt, was zu falschen Temperaturwerten führen kann. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass nicht allein die Akkutemperatur ausschlaggebend ist, sondern auch immer die momentane Umgebungstemperatur zu erfassen und einzukalkulieren ist.
5. Die Spannungsgradienten-Abschaltung
Manche Geräte können den schnellen Spannungsanstieg der Ladekurve auswerten und so noch eine gewisse Lademenge in den Akku einladen, bevor der Ladestrom abgeschaltet wird.
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