LiPos, Memoryeffekt und andere Märchen

Von meinem Modellbauhobby her habe ich ein recht großes Wissen zum Thema Akkus und wie mit den jeweiligen Technologien umgegangen werden muss. Immer wieder lese ich im Netz die furchtbare Halbweisheit man müsse Akkus eines jeden Geräts immer komplett leer machen bevor man es wieder ans Ladegerät hängt. Tut man dies nicht, so „merkt“ sich der Akku seinen bisherigen Ladestand und es wird in Zukunft immer weniger Kapazität nutzbar. Wer die Wahrheit über das Thema wissen will sollte weiter lesen.

Als erstes muss ich klarstellen dass es verschiedene Akkutechnologien gibt (d.h. welche chemischen Substanzen da drin die elektrische Energie speichern). Entsprechend dieser chemischen Zusammensetzung werden diese Akkus auch bezeichnet. In 99% der Fälle kommt ein Normalbürger mit folgenden Typen in Kontakt:

  • Blei
  • NiCd (Nickel Cadmium)
  • NiMh (Nickel Metall-Hydrid)
  • Li-Ion (Lithium Ionen)
  • Li-Po (Lithium Polymer)

Eher selten und mir nur aus dem Modellbaubereich bekannt sind die relativ neuen LiFePo4 (Lithium-Eisenphosphat) Akkus.

Die obige Liste habe ich auch gleich in historischer Reihenfolge angeordnet. Ich gehe diese nun nacheinander durch. Vorab möchte ich aber noch einige Begriffe klären:

Bei Lade- und Entladeströmen spricht man oft von der Einheit „C“. Dies hat in diesem Kontext aber nichts mit der elektrischen Ladung (Coulomb) zu tun. 1C bedeutet „einmal die Kapazität in Ampere“. Entlade oder Lade ich einen Akku der eine Kapazität von 2Ah besitzt mit 1C, so beträgt der Ladestrom 2A. 0,1C wären dann 0,2A oder 200mA.

Bei den hier vorgestellten Akkutypen werden grundsätzlich zwei verschiedene Ladeverfahren verwendet.

CC-CV

Das CC-CV (constant current – constant voltage) Verfahren bedeutet dass der Akku am Anfang des Ladevorgangs mit einem konstanten Strom (z.B. 0,5C) geladen wird bis er seine Voll-Spannung erreicht. Ab diesem Zeitpunkt sind die Akkus zu etwa 80% vollgeladen. Danach geht lädt man (also das Ladegerät) mit konstanter Spannung weiter und verringert dabei immer weiter den Ladestrom. Der Ladestrom nähert sich so asymptotisch gen Null. Viele Ladegeräte schalten bei 10% des ursprünglich eingestellten Ladestroms ab. Andere machen einfach weiter und kitzeln somit auch noch das letzte Promille an Ladekapazität heraus. Ein solcher Ladevorgang mit meinem „Duo“ sieht dann so aus (Spannung blau, Strom rot, eingeladene Kapazität grün):

14-03-20 - 1(minus-)Delta Peak

Als weiteres Verfahren kommt die Delta Peak Abschaltung zum Einsatz. Dabei wird der Akku mit konstantem Strom geladen. Die Spannung des Akkus steigt dabei immer weiter an (gleichzeitig erwärmt er sich auch zunehmend). Sobald der Akku voll ist, bricht seine Spannung wieder um wenige Millivolt zusammen. Dieses (negative) Delta des Spannungspeaks erkennt das Ladegerät und schaltet ab. Hier eine Aufzeichnung (Spannung blau, Strom rot):

deltapeak

Bleiakku

Quelle: basytec.de

Den Bleiakku kennt jeder – und zwar als Starterbatterie im Auto. Für diesen speziellen Anwendungsfall ist dieser Akkutyp auch bestens geeignet: Sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Außentemperaturen kurzeitig sehr hohe Ströme liefern (Auto anlassen) kann er gut. Der Bleiakku verträgt es extrem schlecht wenn er tief entladen wird. Tatsächlich lösen sich beim zu tiefen Entladen die Bleiplatten im Inneren auf. Einmal tiefentladen verliert so ein Akku locker 50% seiner nutzbaren Kapazität. Wenn auch fähig kurzzeitig sehr hohe Ströme abzugeben mag so ein Akku eine Entladung mit hohem Strom (~1C) über längere Zeit nicht. Er fängt an zu gasen was einerseits zu einem gefährlichen Wasser-/Sauerstoff Gemisch führt (Knallgas) das in geschlossenen Räumen zu einer Explosion führen kann und andererseits „verbraucht“ sich dadurch das Wasser im Akku. Geladen wird so ein Akku im CC-CV Verfahren. Die Nennspannung seiner Einzelzellen beträgt 2 Volt, weshalb in einer handelsüblichen Autobatterie auch sechs Zellen in Reihe geschalten sind (ergibt dann 12 Volt). Da ein solcher Akku im KFZ von Lichtmaschine und Batteriesteuergerät überwacht wird braucht man sich normalerweise keine Gedanken um den korrekten Umgang machen.

NiCd

Quelle: batterie-info.de

Der Nickel Cadmium Akku war bis vor zehn Jahren sehr weit verbreitet. In allen üblichen Größen von Haushaltsbatterien (z.B. Mignon / AA, Micro / AAA) oder auch in Elektrowerkzeugen wie Akkuschraubern oder Rasierer und elektrischen Zahnbürsten kam dieser Typ zur Anwendung. Tatsächlich ist es so dass genau dieser Typ Akku den sog. Memoryeffekt besitzt, d.h. er „merkt“ sich seinen Zustand vor dem Laden und tut so als ob er leer gewesen sei. Nach dem Laden ist dann nur noch die Kapazität bis zu dem Zustand vor dem Laden verfügbar. Ganz so schlimm ist es natürlich nicht, aber über mehrere Ladezyklen hinweg war dieser Effekt tatsächlich spürbar. Durch komplettes Entladen konnte man diesem Effekt aber entgegen wirken. Damals, vor 20 Jahren, gab es fast ausschließlich nur so ganz billige Ladegeräte die dem Nutzer auch keine Auskunft über die tatsächlich eingeladene Kapazität boten. Nur im Modellbaubereich war diese Technik damals schon üblich. So hat mein heute noch bestens funktionierendes „Duo“ spezielle Programme um NiCd Akkus mehrmals zu laden und zu entladen um die nutzbare Kapazität wieder zu steigern. Zusammenfassend sei gesagt dass der Mythos man müsse Akkus komplett entladen bevor man sie wieder auflädt von dieser uralten Technologie stammt. Ganz früher hat man diese Akkus mit 0,1C einfach über Nacht (~10 Stunden) geladen – ohne automatische Abschaltung. Eine Eigenheit dieser Technologie ist, dass überschüssige Energie einfach in Wärme umgesetzt wird. Bei einem so niedrigen Ladestrom von 0,1C ist das nicht weiter schlimm. Beim Schnellladen allerdings (1 bis 5C) würde so viel Abwärme entstehen dass der Akku überhitzt und platzt (das habe ich alles schon erlebt). Deshalb setzt man dann das Delta Peak Verfahren ein. Diese Akkus haben neben dem Memoryeffekt auch eine sehr hohe Selbstentladung. Nach zwei Wochen in der Schublade sind sie praktisch leer.

NiMh

Quelle: rc-fabrik.de

Nickel Metall-Hydrid Akkus entsprechen weitestgehend den NiCd Akkus. Das umweltschädliche Cadmium wurde durch andere Metalle ersetzt. Als die Dinger vor schätzungsweise 10 Jahren auf den Markt kamen wurden sie als „ohne Memoryeffekt“ beworben. Meine damaligen Erfahrungen zeigten sehr schnell dass dies so nicht stimmt. Es ist definitiv besser auch einen NiMh Akku vor dem Laden zu entladen. Außerdem sind diese Akkus deutlich empfindlicher gegen Tiefentladung und Überladung, sollten also immer mit einem guten Ladegerät gepflegt werden. Gegenüber NiCd besitzen die NiMh Akkus eine sehr viel höhere Kapazität. Leider klafft zwischen aufgedruckter und tatsächlich verfügbarer Kapazität die Schere weit auseinander. Ganz schlimm war das mit billigen Akkus von Aldi die bei aufgedruckten 2500mAh zwischen 100 und 1200mAh lieferten. Die Selbstentladung war bei solchen Akkus auch sehr hoch. Wahrscheinlich sind diese schlechten Eigenschaften auf die dünne Trennschicht zwischen Anode und Kathode im Akku zurück zu führen. Um die hohen angestrebten Kapazitäten erreichen zu können waren die Hersteller jedoch gezwungen diese Schicht immer dünner auszuführen. Vor ca. 5 Jahren kam die Firma Sanyo mit ihren „Eneloop“-Akkus auf den Markt. Voll geladen aus der Packung direkt einsetzbar und gegenüber bisherigen Typen extrem geringe Selbstentladung. Kapazität jedoch nur im Bereich eines guten NiCd-Akkus. Sanyo hat damit alles richtig gemacht. Schnell hat sich in diversen Modellbauforen herumgesprochen dass dieser Akkutyp als Einziger sein Versprechen der aufgedruckten 2000mAh hält. Dank der geringen Selbstenladung ist die effektiv verfügbare Kapazität (vor allem über längere Zeiträume) sehr viel höher als bei bisherigen Akkutypen. An dieser Stelle kann ich diese Akkus uneingeschränkt empfehlen. Ich habe sie wirklich in jedem Gerät im Haushalt im Einsatz (auch Fernbedienungen und Uhren – ein Einsatzfeld das wegen der hohen Selbstentladung bisher nicht für Akkus in Frage kam). Aufgrund der geringen Selbstentladung verträgt dieser Akkutyp eine Überladung noch sehr viel schlechter als bisherige NiMh-Akkus und setzt somit ein ordentliches Ladegerät voraus.

Li-Ion

Quelle: akku-wechsel.de

Als Lithium-Ionen Akku wird normalerweise nur die Variante in der Becherzelle bezeichnet (im Gegensatz zu den Li-Po Zellen). Die Lithium Technologie unterscheidet sich stark von den beiden vorherigen Techniken (NiCd und NiMh). Sie hat eher ein paar Gemeinsamkeiten mit dem Bleiakku. Der große Vorteil ist die hohe Energiedichte und der tatsächlich nicht vorhandene Memoryeffekt. Eingesetzt wird dieser Akkutyp heute hauptsächlich in Notebooks und Akkuschraubern. Durch den Einsatz in Elektroautos erlebt dieser Akkutyp im Moment eine kleine Renaissance. Geladen wird dieser Typ im CC-CV Verfahren – und zwar ausschließlich in diesem Verfahren! Dieser Akku nimmt eine minimale Überladung derart krumm dass er einen solchen Vorfall gerne mit spontaner Selbstentzündung (d.h. Explosion!) quittiert! Deshalb darf so ein Akku auch nur mit entsprechender Schutzelektronik verkauft werden. Außer im Modellbaubereich, da bekommt man die Dinger als blanke Einzelzellen und ist selbst für die korrekte Behandlung verantwortlich. Die Akkus haben eine Nennspannung von 3,7 Volt. Bei 4,2 Volt ist der Akku voll (Spannung bei der von CC zu CV umgeschaltet wird). Die untere Grenze geben die Hersteller sehr unterschiedlich an. Zwischen 2,5 bis 3,3 Volt ist alles dabei. Tatsache ist: rein von den chemischen Vorgängen im Akku her ist alles unter der Nennspannung schädlich für den Akku. „Schädlich“ ist dabei relativ. Je mehr man es übertreibt, desto schneller „altert“ oder „verbraucht“ sich der Akku. Weitere Details erzähle ich bei den Li-Pos.

Li-Po

Quelle: o-digital.com

Die Lithium-Polymer Akkus habe ich vor etwa 5 Jahren im Modellbaubereich für mich entdeckt. Von den elektrischen Eigenschaften her ist dieser Akkutyp eigentlich identisch zu den Li-Ion Akkus, nur der mechanische Aufbau ist anders. Li-Pos werden in „Tüten“ verschweißt. Damit erreichen sie eine noch höhere Energiedichte und Strombelastbarkeit. Außerdem ist es möglich sie in fast beliebige Formen herzustellen. Das ist auch der Grund warum sie heute in nahezu 100% aller Handies, Tablet-PC, MP3-Player, Notebooks und eben auch im Modellbaubereich zum Einsatz kommen. Mechanisch sind diese „Tüten“-Zellen sehr viel weniger belastbar als Becherzellen aus Metall. Sticht man mit einem Nagel durch die Zelle gibt’s ein schönes Feuerchen (Tipp: „lipofire“ auf youtube).

Dieser Akkutyp ist heute also sehr weit verbreitet. Wie schon beim Li-Ion Typ geschrieben, verträgt dieser keine Tiefentladung. Jetzt kommt es natürlich darauf an wie gut oder (mit Absicht) nicht gut die Ladeelektronik ihren Job macht. Bei meinem alten Notebook war es so dass bei 3,7 Volt pro Zelle der Akku als leer angezeigt wurde. Wäre das bei jedem Gerät so, dann bräuchte ich diesen Artikel hier nicht schreiben. Tatsache ist, dass eine derart konservative Ladeelektronik dem Akku ein sehr langes Leben beschert. Nach 8 (!) Jahren hatte der Akku in besagtem Notebook immer noch ~60% seiner ursprünglichen Kapazität. Bei meinem Tablet PC jedoch zeigt sich ein ganz anderes Bild. Wenn der Akku 0% meldet, so sind die Zellen schon bei 3,4 Volt unten. Bei meinem neuen Notebook ist es das gleiche Spiel. Kommt der Nutzer nun auf die grandiose Idee sein Gerät immer vollständig leer laufen zu lassen (im guten Glauben seinem Akku damit Gutes zu tun), so zerstört er seinen Akku mit maximal möglicher Effektivität. Da der Otto Normalverbraucher jedoch meist nicht in der Lage ist in Erfahrung zu bringen ob seine Ladeelektronik ihren Job richtig macht empfehle ich jedem folgende Regel: Lass‘ deinen Akku niemals unter 20% fallen. So einfach. Das ist alles was es zu beachten gilt. Mit dieser einen einfachen Regel holt man die maximale Lebensdauer aus seinem Akku heraus. Insbesondere bei solchen Geräten wo sich der Akku gar nicht wechseln lässt sorgt diese Regel natürlich für eine deutlich höhere Lebenszeit. Da die Akkus auf Überladung sehr viel empfindlicher reagieren (Explosion) kann sich natürlich kein Hersteller leisten die 4,2 Volt Grenze zu überschreiten. Bei meinen Modellbauakkus hat sich jedoch gezeigt, dass die Akkus Schaden nehmen wenn sie lange komplett vollgeladen herumliegen. Stellt man sich einen Akku als Feder vor, die bei voller Ladung komplett gespannt ist, so ist es nachvollziehbar dass dieser Zustand für den Akku nicht gut sein kann. Ich lade meine Akkus zur Lagerung immer nur auf 80% (~3,9 Volt). Mir ist jedoch kein Consumer Gerät bekannt das diese Einstellung ermöglichen würde.

tl;dr

Entlade deinen Akku niemals unter 20%. Punkt.

4 Gedanken zu “LiPos, Memoryeffekt und andere Märchen

  1. Thinkpads können es (bzw. die Thinkvintage Software) 😉 Und da darfst du die Zyklen sowie max. und min. Werte selber festlegen. killerfeature

  2. Pingback: DIY Powerbank | Leo's Blog

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