Die stille Zerstörung von Smartphone-Akkus durch die Gewohnheit, sie bis 0 % zu entladen: Eine Warnung aus der neuesten Forschung

Hartnäckig den Akkustand des Smartphones bis auf 1 % herunterfahren und erst dann das Ladegerät suchen, nachdem der Bildschirm dunkel geworden ist. Den Laptop bis zum vollständigen Herunterfahren nutzen und dann an den Strom anschließen, um ihn neu zu starten. Die Reichweite eines Elektrofahrzeugs bis zum letzten Kilometer ausreizen, bevor man es auflädt.

Für viele Menschen ist dies kein ungewöhnliches Verhalten. Vielmehr gibt es diejenigen, die sich an die alte Regel erinnern, dass es besser sei, Akkus vollständig zu entladen, bevor man sie auflädt. Doch bei den heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus könnte diese Gewohnheit die Lebensdauer verkürzen.

Häufig genannte Ursachen für die Verschlechterung von Batterien waren bisher hohe Temperaturen, Schnellladen, das Verweilen im vollgeladenen Zustand und hohe Ladevoltage. Tatsächlich sind Batterien empfindlich gegenüber Hitze. Auch das lange Verweilen bei 100 % kann eine Belastung darstellen. Die durch Schnellladen entstehende Hitze und der chemische Stress sind ebenfalls nicht zu vernachlässigen.

Eine neue Erkenntnis eines koreanischen Forscherteams wirft jedoch Licht auf einen weiteren blinden Fleck. Nicht nur das „Überladen“, sondern auch das „Überentladen“ könnte im Inneren eine stille Zerstörung verursachen.

Das Problem ist nicht das „0 %“ an sich, sondern das tiefe Entladen

Im Fokus steht das Kathodenmaterial der NMC-Typen von Lithium-Ionen-Akkus. NMC steht für Materialien auf Schichtoxidbasis, die Nickel, Mangan und Kobalt enthalten und in Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind. Materialien wie NMC811, die einen hohen Nickelanteil haben, bieten zwar eine hohe Energiedichte, bergen jedoch auch Herausforderungen in Bezug auf Verschlechterung und Stabilität.

Das Forscherteam untersuchte die Verschlechterung, indem es praktische Kathodenmaterialien wie NMC622 und NMC811 verwendete und die Entladung bis zu einem bestimmten Punkt, also die Entlade-Abschaltspannung, variierte. Die Entlade-Abschaltspannung ist einfach gesagt die untere Spannungsgrenze, bei der die Batterie nicht weiter entladen werden darf.

Traditionell betrachtet, scheint es, als könne man mehr Energie gewinnen, wenn man die Batterie bis zu einer niedrigen Spannung nutzt. Daher neigt man dazu, die untere Grenze niedrig zu setzen, um die Reichweite oder Nutzungsdauer zu verlängern. Doch das Experiment zeigte, dass eine niedrigere Grenzspannung die Verschlechterung beschleunigte. Und obwohl die zusätzlich gewonnene Kapazität im Niederspannungsbereich nicht groß war, war der negative Einfluss auf die Lebensdauer erheblich.

Das bedeutet, dass das Auspressen der letzten paar Prozent die innere Struktur der Batterie erheblich schädigen könnte.

„Oberflächenzerfall“ im Inneren der Batterie

In Lithium-Ionen-Batterien wandern Lithium-Ionen bei jedem Lade- und Entladevorgang zwischen der Kathode und der Anode hin und her. In einem nahezu neuen Zustand verläuft diese Bewegung relativ reibungslos. Doch mit der Zeit verändern sich die Oberflächen und Grenzflächen der Elektroden, die Wege der Lithium-Ionen verstopfen, die Kapazität sinkt und der Widerstand steigt.

Bisher wurde bei der Verschlechterung der NMC-Kathoden hauptsächlich der Sauerstoffverlust und der Strukturzerfall bei hohen Spannungen beachtet. Wenn zu viel Lithium durch das Laden aus der Kathode entfernt wird, wird das Material instabil, Sauerstoff geht verloren und die ursprüngliche Schichtstruktur verwandelt sich in eine unordentliche, salzartige Struktur. Das ist vergleichbar mit einer ordentlich aufgeschichteten Ziegelmauer, die in einen Schutthaufen zerfällt.

Ein wichtiger Punkt der aktuellen Forschung ist, dass solche Strukturveränderungen nicht nur auf der Lade-, sondern auch auf der Entladeseite auftreten können. Besonders im tiefen Entladebereich unter 3,0 V wird Sauerstoff von der Kathodenoberfläche entfernt, was zu Lithiumoxid und Sauerstoffdefekten führt. Dies fördert die Umwandlung von der Schichtstruktur zur salzartigen Struktur und behindert die Bewegung der Lithium-Ionen.

Das Forscherteam beschreibt dieses Phänomen als „Pseudo-Umwandlungsreaktion“. Es handelt sich nicht um eine vollständige Zerstörung des Materials wie bei einer normalen Umwandlungsreaktion, aber die Verschlechterung schreitet lokal und sicher an der Kathodenoberfläche voran. Das Problem ist, dass sich dies langfristig als deutlicher Kapazitätsverlust und Widerstandserhöhung bemerkbar macht, auch wenn es nur in einem kleinen Oberflächenbereich der gesamten Batterie zu passieren scheint.

Tiefentladung erhöht auch die Gasbildung

Die Verschlechterung endet nicht nur mit Strukturveränderungen. Wenn Sauerstoff von der Kathodenoberfläche verloren geht, treten auch Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten leichter auf. Die Forschung bestätigte, dass bei tief entladenen Zellen die Nebenprodukte der Gasbildung stark zunahmen. Im Originalartikel wird beschrieben, dass bei tief entladenen Zellen die Gasbildung erheblich zunahm.

Die Gasbildung führt zur Ausdehnung der Batterie und zur Erhöhung des Innenwiderstands. Der Akku des Smartphones bläht sich auf, das Gehäuse des Laptops hebt sich, und die Zellgesundheit in Elektrofahrzeugen oder Energiespeichern nimmt ab. Hinter diesen Phänomenen stehen komplexe chemische Reaktionen, die nicht einfach mit „es ist alt geworden“ abgetan werden können.

Besonders bei Kathodenmaterialien mit hohem Nickelanteil kann dieses Problem schwerwiegend werden. Ein höherer Nickelanteil erhöht zwar die Energiedichte, kann aber die strukturelle Stabilität beeinträchtigen. Die Forschung zeigte, dass Zellen mit hohem Nickelanteil, die wiederholt tief entladen wurden, schnell an Kapazität verloren, während Zellen mit einer höheren Entladeuntergrenze eine deutlich verbesserte Kapazitätserhaltung aufwiesen.

Wichtig ist hier, dass zur Verlängerung der Lebensdauer nicht unbedingt neue Materialien oder teure Fertigungstechnologien erforderlich sind. Es könnte ausreichen, die Entladeuntergrenze leicht anzupassen. Das heißt, durch eine Überprüfung der Einstellungen der Batterie-Management-Software kann die Verschlechterung möglicherweise reduziert werden.

Maßnahmen, die Hersteller und Nutzer ergreifen können

Die einfachste Maßnahme, die diese Forschung nahelegt, ist die Erhöhung der Entlade-Abschaltspannung. Die Batterie sollte nicht bis zum wirklich leeren Zustand genutzt werden, sondern bevor sie in den gefährlichen Bereich gelangt, gestoppt werden. Bei Smartphones bleibt oft eine Schutzreserve, auch wenn 0 % angezeigt werden. Bei Elektrofahrzeugen gibt es hinter der angezeigten Reichweite oder dem Ladezustand oft einen vom Hersteller festgelegten Puffer.

Allerdings variiert die Größe dieses Puffers je nach Designphilosophie. Produkte, die eine längere Reichweite oder Nutzungsdauer zeigen wollen, neigen dazu, eine größere nutzbare Kapazität zu bieten. Wenn jedoch die Lebensdauer im Vordergrund steht, muss der Puffer, der die chemisch kritischen Bereiche vermeidet, größer sein.

Für Hersteller ist dies ein schwieriger Kompromiss. Nutzer legen Wert darauf, wie viel sie mit einer einzigen Ladung nutzen können. Die im Katalog angegebene Reichweite oder Nutzungsdauer beeinflusst die Kaufentscheidung direkt. Doch im Hinblick auf die langfristige Zufriedenheit ist der Wert, dass die Batterie auch nach einigen Jahren noch gesund ist, groß.

Eine realistische Maßnahme, die Nutzer ergreifen können, ist viel einfacher. Bei Smartphones oder Laptops sollte man aufladen, wenn der Akkustand bei etwa 20–30 % liegt. Die Gewohnheit, bis 0 % zu entladen, sollte vermieden werden. Auch das Verweilen in einer heißen Umgebung über längere Zeit oder das Verweilen bei 100 % sollte vermieden werden. Bei Elektrofahrzeugen sollte man im Alltag übermäßiges Vollladen oder tiefes Entladen vermeiden und die Ladeober- und -untergrenzeinstellungen des Fahrzeugs nutzen.

Natürlich bedeutet es nicht, dass die Batterie sofort kaputt geht, wenn man sie in einem Notfall fast bis 0 % nutzt. Das Problem ist, die Tiefentladung regelmäßig im Alltag zu wiederholen. Die Verschlechterung der Batterie tritt nicht plötzlich durch einen einzigen Fehler auf, sondern schreitet durch die Anhäufung kleiner Belastungen fort.

Nicht alle Lithium-Ionen-Batterien sind gleich betroffen

Es ist wichtig zu beachten, dass die aktuellen Erkenntnisse nicht auf alle Lithium-Ionen-Batterien gleichermaßen zutreffen. Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf den NMC-Schichtoxid-Kathodenmaterialien und ist besonders relevant für Materialien mit hohem Nickelanteil.

In den letzten Jahren hat die Verwendung von LFP, also Lithium-Eisenphosphat-Batterien, in Elektrofahrzeugen rapide zugenommen. LFP hat im Vergleich zu NMC zwar Nachteile in der Energiedichte, bietet jedoch Vorteile in Bezug auf Kosten, Sicherheit, Lebensdauer und Ressourcen. Laut Daten der Internationalen Energieagentur wird erwartet, dass LFP-Batterien 2025 mehr als die Hälfte der weltweit in Elektrofahrzeugen eingesetzten Batterien ausmachen.

Daher ist es nicht genau, anzunehmen, dass „alle Smartphones und alle Elektrofahrzeuge die gleiche Verschlechterung im gleichen Maße erfahren“. Die Batterien in Smartphones sind unterschiedlich gestaltet, und auch bei Elektrofahrzeugen variieren Verhalten je nach Modell, Hersteller, Batterietyp und Batterie-Management-System.

Dennoch ist die Vorstellung, dass „das Entladen bis 0 % gut für die Batterie ist“, bei modernen Lithium-Ionen-Batterien schwer anzuwenden. Zumindest das Vermeiden von Tiefentladungen ist für viele Nutzer eine risikoarme Maßnahme zur Verlängerung der Lebensdauer.

Reaktionen von Lesern und in sozialen Medien: „Zustimmung“ und „Einwände“

Im Kommentarbereich des Originalartikels finden sich auch Reaktionen der Leser auf diese Forschung. Diese zeigen gut, wie allgemeine Nutzer die Verschlechterung von Batterien verstehen.

Eine erste Reaktion ist der Hinweis, dass nicht die hohe Spannung das Problem sei, sondern der Strom oder die Wattzahl, die beim Schnellladen entstehen, und die daraus resultierende Hitze. Dies ist eine Frage, die viele Menschen haben. Auf Ladegeräten für Smartphones sind 5V, 9V, 20V usw. angegeben, und bei Schnellladung wird die Wattzahl hervorgehoben. Aus Sicht der Nutzer scheint es natürlich, dass „Spannung“, „Strom“ und „Hitze“ miteinander vermischt werden.

Tatsächlich ist es wichtig, bei der Diskussion über die Verschlechterung von Batterien zwischen der Spannung auf der Seite des Ladegeräts und dem Elektrodenpotential innerhalb der Zelle zu unterscheiden. Für den allgemeinen Leser ist diese Unterscheidung schwer zu verstehen. Deshalb ist es wichtig, in wissenschaftlichen Artikeln nicht nur von „hoher Spannung“ zu sprechen, sondern auch zu erklären, auf welchen Teil der Spannung sich dies bezieht.

Eine zweite Reaktion ist die Frage, ob es letztlich nicht das Problem der Hitze ist, die durch das Laden mit hoher Spannung entsteht. Auch dies ist ein wichtiger Aspekt. Hitze spielt bei der Verschlechterung von Batterien eine große Rolle. Doch das Interessante an der aktuellen Forschung ist, dass sie sich auf chemische Veränderungen an der Kathodenoberfläche am Ende der Entladung konzentriert, die nicht allein durch Hitze oder Schnellladen erklärt werden können.

Eine dritte Reaktion ist die nüchterne Sichtweise: „Das war doch schon immer bekannt.“ Tatsächlich ist unter Nutzern von Smartphones und Laptops schon lange bekannt, dass es besser ist, nicht bis 0 % zu entladen und den Bereich von 20–80 % zu nutzen. Für diejenigen, die sich schon lange mit Batteriemanagement auskennen, mag das Fazit wenig neu erscheinen.

Der Wert der aktuellen Forschung liegt jedoch nicht in der Lebensweisheit „Es ist besser, nicht bis 0 % zu entladen“, sondern darin, die materialwissenschaftlichen Mechanismen dahinter aufzuzeigen. Wenn Erfahrungswerte wissenschaftlich untermauert werden, können Hersteller das Design von Batterie-Management-Systemen rationaler ändern. Die Bedeutung erweitert sich von einer einfachen Wissensnotiz für Nutzer zu einer Designrichtlinie für die Industrie.

Eine vierte Reaktion ist die Erfahrung eines Lesers mit einem langjährig genutzten Smartphone. Ein Leser berichtet, dass sein Samsung-Gerät, das er seit 2016 nutzt, immer noch funktioniert und er es kaum vollständig entladen hat. Natürlich kann man aus einer einzigen Erfahrung keine wissenschaftlichen Schlüsse ziehen. Dennoch ist das Gefühl, dass die Vermeidung von Tiefentladungen vorteilhaft für die Langzeitnutzung sein könnte, für viele Nutzer nachvollziehbar.

Wenn dieses Thema in sozialen Medien verbreitet wird, werden die Reaktionen wahrscheinlich in drei große Gruppen unterteilt. Erstens, diejenigen, die sagen: „Es war also besser, nicht bis 0 % zu entladen.“ Zweitens, diejenigen, die sagen: „Das ist doch nur eine Bestätigung dessen, was schon lange gesagt wurde.“ Und drittens, diejenigen, die sagen: „Es ist zu vereinfacht, da es je nach Modell und Batterietyp Unterschiede gibt.“

Jede dieser Reaktionen hat ihre Berechtigung. Wichtig ist, das Fazit nicht zu sehr auf einen einzigen Life-Hack zu reduzieren. Es ist nicht notwendig, „0 % ist absolut schlecht“ zu fürchten. Aber die Gewohnheit, „immer bis zur Leere zu entladen, bevor man auflädt“, sollte bei modernen Lithium-Ionen-Batterien vermieden werden.

Die Lebensdauer von Batterien wird nicht durch „Durchhaltevermögen“, sondern durch „vorausschauendes Design“ bestimmt

Wir neigen dazu, Batterien wie einen Kraftstofftank zu betrachten. Volltanken, bis zur Leere nutzen und dann wieder volltanken. Doch Lithium-Ionen-Batterien sind keine einfachen Behälter. Im Inneren bewegen sich Ionen, an den Elektrodenoberflächen treten Nebenreaktionen auf, und der Zustand verändert sich je nach Temperatur, Spannung und Nutzungsgeschichte allmählich.

In diesem Sinne besteht der Trick, Batterien langlebig zu machen, nicht darin, „alles zu verbrauchen“, sondern „kritische Bereiche zu vermeiden“. Nicht bei 100 % in einem heißen Ort lassen. Nicht häufig bis nahe 0 % entladen. Schnellladen nur bei Bedarf verwenden. Diese kleinen Gewohnheiten machen in einigen Jahren einen Unterschied in der Batterieleistung.

Die aktuelle Forschung zeigt, dass die Antwort zur Verlängerung der Batterielebensdauer nicht unbedingt in neuen Materialien oder Batterien der nächsten Generation liegt. Auch bestehende Lithium-Ionen-Batterien können durch eine Überprüfung der Steuerung, wie weit sie genutzt werden dürfen und wann sie gestoppt werden, in ihrer Lebensdauer verlängert werden.

Bei Smartphones sollte man bei 20–30 % Restladung aufladen. Bei Elektrofahrzeugen sollte man im Alltag übermäßiges Vollladen oder tiefes Entladen vermeiden. Hersteller sollten nicht nur die für den Nutzer sichtbare Kapazität oder Reichweite, sondern auch die Puffer, die die langfristige Verschlechterung reduzieren, in den Vordergrund stellen.

Das vollständige Ausnutzen der Batterie mag kurzfristig wie ein Gewinn erscheinen. Doch dieser kleine Gewinn könnte langfristig ein großer Verlust sein.

Der einfachste Schritt zur Verlängerung der Batterielebensdauer ist, das Ladegerät etwas früher zu suchen. Nicht in Panik geraten, wenn es 0 % erreicht,