Ausgewählte Überlegungen Stand und Ausblick am Markt sowie zur längeren Nutzung von Li-Ionen-Akku‘s in Geräten der Consumer Elektronik
Von Mr. K. Kim (Seoul-Korea) & Tim Schäfer (Deutsche Initiative Pro Li-Ionen-Batterien/ Envites Energy) - 04.10.2016
Das Menschen einen Schlüssel vergessen, kommt öfter vor. Oder den Hochzeitstag, zumindest alle Jahre wieder einmal bei Männern. Das der persönliche Kommunikator und Dienstleister Handy oder Smartphone vergessen wird, ist wohlmöglich ungewöhnlicher. Und die Bedeutung der mobilen Assistenten steigt. Bestimmt sich insbesondere in vielfältigen Funktionen, Stichworte dafür sind soziale Medien, Services, Apps oder auch die Cloud Dienste. Oder Elektromobilität? Ständige Vernetzung, intelligente Dienste, autonomes Gefährt und noch viel mehr. Künstliche Intelligenz, Cleverness, vernetzt. 24h; 365 Tage lang.
Treue, smarte Gefährten Phone & Phablet's
Das Smartphone dann auch als Gefährte und Schlüssel der nachhaltigeren Mobilität?
Schöne neue digitale Welt. Die digitale Welt wird also noch viel umfassender unser ständiger Begleiter.
Ein Megatrend.
Schon heute steigert sich ein bereits intensives Nutzerverhalten. Ganz neue Optionen und digitale Angebote und das Internet der Dinge treiben dies.
Aber auch der Wettbewerb um die lukrativen Märkte setzen die Anbieter unter Druck. Dieser Trend wird in den nächsten Jahren von ionischen Batterien weiterhin ermöglicht. Wie den Akkus aus der Familie der Li-Ionen-Batterien.
Smartphone und Elektromobilität:
Ausgedient hat an Bord des zum Autosalon in Paris 2016 von Volkswagen vorgestellten I.D.-Konzeptes der konventionelle Autoschlüssel. Vielmehr wird das Smartphone als „Digital Key" den Wagen öffnen.
Die Idee dahinter: Wer in naher Zukunft einen Volkswagen fährt, erhält seine eigene „Volkswagen ID". Diese ID ist ein individuelles Profil, in dem zum Beispiel persönliche Sitz- und Klimaeinstellungen, favorisierte Radiosender und Media-Playlists, Einstellungen des Soundsystems, Kontaktdaten von Freunden und Geschäftspartnern und die Konfiguration des Navigationssystems gespeichert sind. Abgerufen wird dieses Profil von der dann Powerwolke „Volkswagen Automotive Cloud“.
Die Autoschlüssel werden heute auch schon mit Lithiumbatterien betrieben. Auf jeden Fall muss der Akku dann am Ende des Tages immer noch so viel Saft fließen lassen, dass diese Funktionen über Jahre gesichert sind. Gesamt auch ein Beitrag gegen Kleinteiligkeit, denn der Schlüsselakku wäre obsolet und dessen Funktion übernimmt der Akku im Gerät. Auch ein Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit?
Entwicklungen und Markt
Phones sind weltweit weiter auf dem Vormarsch. Vor allem in Asien. Es gibt aber auch Zeichen einer Marktsättigung, so werden schon Versorgungsraten von mehr als 120% erreicht. Im Jahr 2010 sind weltweit noch rund 300 Millionen Smartphones ausgeliefert worden. Es waren schon im Jahr 2013 bereits mehr als eine Milliarde, diese Zahl könnte sich nur für die Phones auf >1,5 Milliarden bis 2020 entwickeln, wahrscheinlich eher mehr. Da ist zusätzlich noch im Bestand, in mehr oder weniger genutztem Zustand, offenbar deutlich ein Mehrfaches an Geräten, als die Erde Menschen hat.
In Deutschland werden in diesem Jahr wohl so viele Smartphones verkauft wie noch nie. Insgesamt werden voraussichtlich 27,9 Millionen hinzukommen (Steigerung 6 Prozent zu 2015, lt. Branchenverband Bitkom). 76 Prozent aller Bundesbürger ab 14 Jahren nutzen aktuell ein Smartphone. Mit einem Absatzrekord von 4,2 Millionen verkauften Geräten (plus 6,4 Prozent) haben insbesondere Phablets, also Smartphones ab einer Display-Größe von 5,5-Zoll, einen großen Anteil an der Entwicklung. Den Prognosen zufolge wird der Absatz von Phablets um 20 Prozent steigen. Die Geräte machen somit 15 Prozent des gesamten Smartphone-Marktes aus (Quelle: Bitkom).
Bemerkenswert ist der Altbestand, der offenbar in den Wohnungen gelagert wird. Die Zahl soll weit mehr als 100 Millionen Geräte betragen. Offenbar hat man noch kein richtig interessantes Rücknahmesystem gefunden. So werden Geräte gehortet, die wertvoll sind, inklusive der Li-Ionen-Batterien darin. Diese sterben in der Regel ruhig ab. Keinesfalls sollten lange unbenutzte Geräte mit entladenen Akku‘s wieder aufgeladen werden, denn der Akku kann dann durch Selbstzersetzung beschädigt sein. In seltensten Fällen könnte dies zur Überhitzung führen. Besser wäre es, diese Geräte zeitnah einzutauschen oder gegen Rücknahmegebühr auszulösen, meint der Autor dieser Abhandlung.
Consumer Elektronik
Dabei wünschen sich die Kunden besonders immer mobil und dezentral agieren zu können. Die IFA (Internationale Funkausstellung) in Berlin wird dies auch 2017 verstärkt wieder im Feld der Consumer Elektronik zeigen. Aber, ohne dies hier weiter ausführen zu wollen, dies trifft auch auf andere Geräte in anderen Märkten absolut zu…
Die Nutzer wünschen eben auch so lange als möglich mit einer Akkuladung das Gerät nutzbar zu haben.
Mindestens bis ein Tag vergangen ist und wir trotzdem unsere digitale Welt ausgelebt haben, versteht sich. Mit ordentlich Saft. Damit nicht zuletzt die Geräteleistung, Grafik und Ton ohne bemerkenswerte Einbußen garantiert sind.
Spaß ohne Ende mit mobilen Elektronikgeräten!
Eine Spaßbremse durch einen suboptimal ausgenutzten oder viel zu früh verschlissenen Stromspeicher ist da eher absolut out. Sogar wenn die Geräte die ersten Hinweise oder Funktionseinschränkungen aufgrund vertiefter Ladezustände im täglichen Normalbetrieb visualisieren, kann dies Folgen für die Nutzer haben. Solch eine Folge kann die prioritäre Suche nach einer Stromquelle sein. Es soll ja sogar zu panischen Attacken kommen können.
Die Hersteller reagieren und innovieren Kapazitätssteigerungen beim Akkuspeicher, die in kurzen Intervallen schon mal um 33% steigen (vergleiche bspw. LG V10-V20). Andererseits verbraucht die Nutzung und Leistung auch mehr Strom. Dabei fordert die Anwendung immanent, dass besonders das Gewicht nicht „hindernd“ steigen soll.
Li-Ionen-Batterien
Die Speicher in den Geräten sind sehr häufig Li-Ionen-Batterien. Die oft hochwertigen Geräte mit dem Speichertyp Hochenergiebatterie bietet dem Nutzer einiges an Komfort und auch Möglichkeiten. Oft sind in kleineren Geräten prismatische Typen der Bauform Single-Cell Batterien eingebaut und hochwertig integriert. Das können oft sogenannte Li-Ionen „Pouch“ Zellen sein, deren abgedichtetes Gehäuse selbst schon aus einem hochwertigen Verbundmaterial besteht. Da die Li-Ionen-Batterien weiterhin ein großes Innovationspotenzial bieten, wird der Markt dies weiter annehmen und als Abgrenzungskriterium weiterhin aufgreifen. Größenordnungen von aktuell bis zu 6000 Milliamperestunden Nominalkapazität dürften sich fortentwickeln, bei verbesserter Leistungsbereitschaft. Der Autor geht davon aus, dass in Kürze (12- 18 Monate) bei etwa gleichem Volumen und Gewichtsfaktor bis zu 9 Ah im Premium- oder Phabletbereich bereits innoviert werden.
Anforderungen an die Batterien
Der Stromspeicher ist ein Differenzierungskriterium im Markt. Kurze Innovationszyklen und die Vernetzung zur Elektromobilität treiben die Märkte und stellen sehr hohe Anforderungen an die Akkulieferanten. Nicht zuletzt durch die hohen Stückzahlen sind die Fenster für die Qualifizierung der Li-Ionen-Batterien eng getaktet und es bestehen allerhöchste Anforderungen an die Lieferantenentwicklung und Logistik. Natürlich auf Basis sehr hoch aufgelöster Prozesse und Statistik.
Beispiele für harte Entwicklungsanforderungen an diese Geräte Akkus aus der Familie der Li-Ionen-Batterien sind aktuell: Slim, so schlank als möglich, mehr Kapazität, erhöhte Ladeschlussspannungen von 4,4 V, EOL (Lebensende bei 80 % der ursprünglichen Kapazität) zu verlängern > 600 - 2400 Vollzyklen, Schnelladefähigkeit, und mehr. Die Kapazität der Li-Ionen-Batterie als Akku, bestimmt nach einem definierten Verfahren, ist auf dem Akku abzulesen. Dies ist rechtlich vorgeschrieben. Der Akkulieferant spezifiziert in der Regel auch eine definierte Lebensdauer in Ladezyklen, die aber häufig von den Geräteherstellern nicht kommuniziert wird. Da sich die Lebensdauer weiter prolongieren wird, ist das in Zukunft sicher bedenkenloser möglich.
Kann der Nutzer die Lebensdauer des Li-Akku‘s wirklich verlängern, was geht?
Ja. Grundsätzlich kann der Nutzer die Lebensdauer und die Effizienz des Li-Ionen-Batterie Speicherakku`s beeinflussen und möglicherweise verlängern. Damit steht und fällt in der Regel auch die Nutzungsdauer der Geräte. Nicht zuletzt kommt dies auch der Umwelt zugute und schont den eigenen Geldbeutel.
Ansätze dazu finden sich im Nutzerverhalten in Betrieb und Umgang, bei Ladung, Lagerung und Beförderung. Ersteres liegt auf der Hand. Akkubelastendes Nutzerverhalten wie Betriebsprozesse können i.d.R. vermindert oder sogar ganz vermieden werden. Hierzu gibt es einschlägige Tipps, wie man besonders stromfressende oder exzessive Prozesse einschränkt, wie: Ruhezustände, Helligkeit, Prozesse, Abschalten von Bildschirmen, Videoaufnahmen, usw.
Tipp: Schon ab Android 4.2 lassen sich WLAN, Bluetooth und GPS ein- oder ausschalten, indem man den rechten Bereich der Statusleiste nach oben zieht und dann die jeweilige Kachel antippt. Beim iPhone (ab iOS 7) zieht man den unteren Bildschirmrand nach oben und tippt anschließend auf das jeweilige Icon um WLAN oder Bluetooth abzuschalten oder die Displayhelligkeit herunter zu regeln.
Viele Android-Smartphones bieten auch einen Energiesparmodus. Dieser dimmt unter anderem das Display und hindert bestimmte Apps daran, sich im Hintergrund zu aktualisieren. Der Modus aktiviert sich automatisch, wenn der Akku einen bestimmten Ladestand unterschreitet. Diese Marke lässt sich aber heraufsetzen, so dass das Smartphone den Energiesparmodus früher scharf stellt.
Tipp: Bestimmte Apps können beitragen, die Laufzeit des Handy-Akkus automatisch oder per virtueller Taste verlängern, denn die App erledigt dabei gleich mehrere Dinge automatisch, die sonst per Hand einzeln verändert werden müssten. Bluetooth, WLAN oder auch die GPS-Positionsbestimmung schaltet die App aus und dimmt die Displaybeleuchtung. Für iOS gibt es insbesondere ja Anwendungen, die die verbleibende Akkudauer anwendungsbezogen anzeigen. Der Nutzer sieht so auf einen Blick, wie lange er noch Musik hören, telefonieren oder surfen kann, bevor der Akku schlapp macht. Bestimmte Apps sollen nach neueren Untersuchungen enorme Saftsauger sein. Hier der Hinweis, sich die energetischen Einstellungen ein zu regeln oder auch mal auf eine App zu verzichten.
Ein großer Stromfresser ist das Display. Schalte ggf. das WLAN aus, damit dein Handy nicht regelmäßig danach sucht und Strom unnütz verbraucht.
Muss Synchronisieren ständig sein? Deaktivieren von Apps, die nicht benötigt werden, ist sinnvoll.
Keine Zeit: immer Schnellladung?
Es ist mitunter auch noch eine Frage der Schnellladung und ob diese mit geeignetem Zubehör erfolgt. Hier sollte man schon überlegen, ob es immer die Schnellladung sein muss.
Gerade bei noch höherer Restkapazität kann dies den Akku stressen. Wenn dann auch nur mit geeignetem Zubehör, etwa vom Hersteller empfohlen. Das insbesondere keine defekten Ladegeräte eingesetzt werden, ist eh ein absolutes Dogma. Hier können u.U. sogar Gefahren drohen.
Also auch das Gerät nicht ständig am Ladesystem angeschlossen lassen. Wenn möglich den Akku nicht immer vollladen oder nicht immer bis zum Ende entladen (10-95 % sind aber auch ok). Es soll aber deutlich gemacht werden, dass der erreichte Stand Akku mit der Elektronik und dem Lader solche möglichen Problemchen bereits verinnerlicht haben und diese faktisch nicht mehr stattfinden.
Betriebstemperaturen
Ladung im Auto, welches in voller Sonne steht, ist einer verlängerten Lebensdauer logischerweise abträglich, wird aber oft praktiziert. Auch die Powerbank bei Picknick oder am Badestrand sollte so nicht zum Einsatz kommen.
Hohe Umgebungstemperaturen (auf Heizungen, unmittelbare Nähe von Lichtquellen, ggf. im Auto, neben PC Lüftern, unter einem Laptop in der Hosentasche) oder auch Mikrowellen sollen gemieden werden.
Aber auch bei tiefen Temperaturen im Minusbereich der Li-Ionen-Batterie sollte oder darf nicht geladen werden. Dabei ist der Akku vergleichsweise langsamer mit der Erwärmung als Display und Funktion des Gerätes selbst. Also den Akku aufwärmen lassen in der normalen Raumtemperatur. Erst ggf. dann wieder nachladen.
Elektrostatische Aufladung, Überspannung-Strom
Hier könnten aufgrund der physikalischen Gesetze nur dann Probleme entstehen, wenn diese missachtet werden. Zum Beispiel könnte die Schutz- und betriebsnotwendige Betriebselektronik geschädigt werden. Danach sollte der Akku nicht mehr ladbar sein. Über längere Zeit kann sich ein irreversibler Schaden einstellen, der auch zu einem Gefahrmoment werden kann.
Lagerung
Für die Lagerung eines Gerätes sind die Vorschriften des Herstellers zu beachten (trocken, kühl…). Bei Batterien „solo“ umso mehr! Schreibtischschubladen, Werkezugkisten o.ä. sind nicht die richtigen Orte. Hier können Kurzschlüsse drohen!
Beförderungen von Li-Ionen-Batterien
Li-Ionen- Batterien unterliegen Vorschriften in der Beförderung, meist greift eine Freistellung. Aber auch diese Freistellung verlangt insbesondere eine gut verpackte Batterie unter Einhaltung von Kurzschlusssicherheit (Kontakte isolieren, geeignete Verpackung drum herum), stabile Außenverpackung mit Beständigkeit in der normalen Beförderung.
Wer ins Flugzeug will muss ggf. detaillierte Vorschriften auch der Airline oder eines Staates einhalten. Generell dürfen oder sollen Li-Ionen-Akku die im Rückruf stehen, defekte oder beschädigte Geräte nicht mit in den Flieger genommen werden. Nach Möglichkeit nicht nachladen. Bitte nutzen Sie doch die Originalverpackungen.
Defekte oder beschädigte Geräte oder Batterien unterliegen speziellen Vorschriften oder sind zur Beförderung oder Mitnahme streng verboten. Hier können Gefahren drohen.
Zur Sicherheit: Bei zweifelhaftem Zustand des Geräts oder Akku, nicht mehr nachladen, ggf. die Benutzung einstellen, den Hersteller kontaktieren oder dessen Sicherheitshinweisen folgen. Ggf. in einer Umgebung gesichert so lagen, dass kein Gefahrmoment eintreten kann.
Noch ein gut gemeinter Hinweis
Die Hersteller der Geräte bieten Schutzhüllen für die Geräte an. Diese sollen und können auch Folgen von Sturz usw. abmildern. Das ist auch hinsichtlich der Lebensdauer der Li-Ionen-Batterie im Gerät sinnvoll. Daher sollten Schutzhüllen oder Softcover benutzt werden.
Mechanische Einflüsse, auch über das Tragen des Gerätes hinaus, sind nicht ohne Belang.
Funktionsweise und Aufbau einer Li-Ionen-Zelle im Telegrammstil
Wissenschaftlich gesehen sind Li-Ionen-Batterien als elektrochemische Zellen oder galvanische Zellen zu definieren, deren Inhalte (Chemie) hermetisch eingeschlossen sind. Sie speichern elektrische Energie in Form von chemischer Energie (galvanische Reaktion).
Obwohl bei den Redox-Reaktionen in Li-Ionen-Batterien kein metallisches Lithium vorkommt, wird beim Laden des Li-Ionen Akkus metallisches Lithium in die Graphit-Struktur eingelagert. Es bildet sich eine sog. Interkalationsverbindung.
Beim Entladen werden an der Anode Li-Kationen und Elektronen frei. An der Katode werden die durch Elektrolyt und Separator gewanderten Li-Ionen im Kathodenmaterial eingebaut. Varta kennzeichnete dieses Prinzip früher als „Swing“.
Die Lithiumionenakkus werden zunächst je nach Aufbau bzw. den eingesetzten Elektrodenmaterialien weiter untergliedert: der Lithium-Polymer-Akkumulator, Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO2), Lithium-Titanat-Akkumulator, der Lithium-Luft-Akkumulator, der Lithium-Mangandioxid-Akkumulator, der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4) und der Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Systeme.
Kenndaten, wie Zellenspannung, Temperaturempfindlichkeit oder der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom, variieren bauartbedingt stark und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyt abhängig.
Die Angabe des Subtyps (z. B. „Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator“) ist aus diesem Grund informativer als die Angabe des Oberbegriffs „Lithiumionen-Akkumulator“. Das aktive Material der negativen Elektrode eines gängigen Lithiumionen-Akkus besteht aus Graphit und oder anderen geeigneten Materialien für die negative Elektrode im Batteriesystem.
Die positive Elektrode enthält meist Lithium-Metalloxid-Verbindungen, wie LiCoO2 (Lithiumcobaltdioxid), LiNiO2, LiMn2O4.oder LiFePO4. Der Elektrolyt muss absolut wasserfrei sein und besteht Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan und gelösten Lithiumsalzen wie LiPF6. Nebst Additiven, die in der Regel Know-how des Herstellers sind.
Abb.: Typischer, wechselbarer Geräteakku Li-Ionen-Batterie mit vorgeschriebener Kapazitätsangabe,
hier 600 mAh, sowie auch der Kennzeichnung „durchgestrichene Mülltonne Li-Ion“ gemäß dem Batteriegesetz.
Batterien oder Geräte mit Li-Ionen-Batterien gehören nicht in den Hausmüll!
Foto: T. Schäfer