Wie Lithium-Ionen-Akkus in Smartphones funktionieren und warum sie verschleißen

Wenn du die Grundlagen verstehst, wirkt der übliche Rat weniger rätselhaft. Die Empfehlung, den Ladestand möglichst zwischen 20 und 80 % zu halten, die Warnung vor Hitze und der Grund für frühe Abschaltungen alter Smartphones hängen alle mit demselben Vorgang zusammen: Lithium-Ionen bewegen sich durch eine Zelle, die sich bei jeder Nutzung langsam verändert.

Für die batteriewissenschaftlichen Aussagen dieses Artikels stützt die Übersicht von Edge und anderen Kapazitäts- und Leistungsverlust, Impedanzanstieg sowie die Einflüsse von Temperatur, Ladestand, Strom oder Last, SEI-Wachstum und Lithium-Plating. Sie belegt keine Herstellerfunktionen, universellen Smartphone-Temperaturgrenzen, Zubehörentscheidungen, Reparaturhinweise oder Preise, genaue Lebensdauer, Ladezeitaussagen oder garantierten Ergebnisse.

Die grundlegende Zelle

Ein Lithium-Ionen-Akku im Smartphone besteht aus vier Hauptteilen: Anode, Kathode, Elektrolyt und Separator. Bei herkömmlichen Smartphone-Zellen besteht die Anode meist aus Graphit. Die Kathode ist ein Lithium-Metalloxid, dessen genaue Chemie vom Hersteller abhängt. Der Elektrolyt lässt Lithium-Ionen wandern, während der Separator verhindert, dass sich die beiden Elektroden berühren.

Beim Entladen bewegen sich Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode. Die Elektronen fließen stattdessen durch den Stromkreis des Smartphones. Dieser Elektronenfluss versorgt Display, SoC, Funkmodule, Kameras, Speicher und alles andere mit Energie.

Beim Laden läuft der Vorgang umgekehrt. Das Ladegerät bewegt Lithium-Ionen zurück in die Anode, damit die Zelle wieder Energie speichern kann.

Das ist der grundlegende Trick. Er funktioniert. Bis sich die Materialien nicht mehr ganz so verhalten wie im Neuzustand.

Warum die Prozentanzeige nur eine Schätzung ist

Dein Smartphone misst den Akkustand nicht wie einen Kraftstofftank. In der Zelle steckt kein winziger Messstab.

Android schätzt die verbleibende Ladung anhand von Spannung, Strom, Temperatur und einem Akkumodell. Manche Geräte nutzen zusätzlich Coulomb-Zählung und verfolgen damit den Strom, der im Lauf der Zeit hinein- und herausfließt. Bei einer neuen, berechenbaren Zelle funktioniert die Schätzung gut. Mit zunehmendem Alter des Akkus wird sie schwieriger.

Eine vollständig geladene Smartphone-Zelle liegt häufig nahe 4,2 V, wobei der genaue Wert von Chemie und Ladedesign abhängt. Kurz vor dem leeren Zustand schaltet sich das Smartphone ab, bevor die Zelle eine schädlich niedrige Spannung erreicht. Die angezeigte Prozentzahl übersetzt die Spannungskurve der Zelle in einen verständlichen Wert.

Das Problem: Die Spannungskurve ist keine gerade Linie. In der Mitte verläuft sie relativ flach, nahe voll und leer wird sie steiler. Deshalb können sich 50 % stabil anfühlen, während die letzten 15 % bei einem älteren Akku schnell zusammenbrechen.

Warum Akkus verschleißen

Akkuverschleiß ist kein einzelner Defekt. Er besteht aus vielen kleinen chemischen und mechanischen Veränderungen.

Wachstum der SEI-Schicht

Während der ersten Ladezyklen bildet sich auf der Anode eine Schicht, die Solid Electrolyte Interphase oder kurz SEI genannt wird. Diese Schicht ist notwendig. Sie lässt Lithium-Ionen passieren und begrenzt weitere Reaktionen zwischen Elektrolyt und Anode.

Das Problem ist, dass sich die SEI weiter verändert. Bei jedem Lade- und Entladezyklus dehnt sich die Anode etwas aus und zieht sich wieder zusammen. Winzige Risse entstehen. Der Elektrolyt reagiert an diesen neuen Oberflächen, und die SEI wird dicker. Aktives Lithium bleibt in dieser Schicht gebunden, statt zwischen den Elektroden zu wandern.

Die Kapazität sinkt, der Innenwiderstand steigt, und die Zelle erzeugt unter Last mehr Wärme.

Lithium-Plating

Beim Lithium-Plating lagert sich Lithium als Metall auf der Oberfläche der Anode ab, statt sich sauber in deren Struktur einzulagern. Das passiert eher bei schnellem Laden, einem kalten Akku oder einer Zelle, die bereits fast voll ist.

Deshalb laden Smartphones bei niedrigem Akkustand schnell und werden nahe dem oberen Bereich langsamer. Einen kalten oder fast vollen Akku mit hoher Leistung zu laden, ist ein schlechter Tausch.

In schweren Fällen kann das abgelagerte Lithium Dendriten bilden. Das sind winzige metallische Strukturen, die den Separator beschädigen können. Die Akkuverwaltung eines Smartphones soll dieses Szenario verhindern, doch das zugrunde liegende Risiko ist real genug, dass Hersteller es ernst nehmen.

Alterung von Kathode und Elektrolyt

Auch die Kathode altert. Metallionen können sich aus ihr lösen und in den Elektrolyten gelangen. Der Elektrolyt selbst zerfällt bei hoher Temperatur und hoher Spannung schneller. Diese Reaktionen verringern die Kapazität und erhöhen den Widerstand.

Wenn ein Akku aufbläht, hat sich Gas in der geschlossenen Pouchhülle gebildet. Das ist kein Kalibrierungs- oder Einstellungsproblem mehr. Benutze das Smartphone nicht weiter und lass den Akku austauschen.

Was den Verschleiß beschleunigt

Hitze ist der größte Faktor. Warme Akkus altern schneller, und ein Smartphone kann durch Laden, Spiele, Navigation, Videoaufnahmen, schlechten Empfang oder direkte Sonne heiß werden. Am ungünstigsten ist Hitze zusammen mit einem hohen Ladestand, zum Beispiel wenn ein vollständig geladenes Smartphone auf dem Armaturenbrett liegt oder beim Laden unter einem Kissen steckt.

Auch hohe Spannung belastet die Zelle. Ein Akku, der lange nahe 100 % gehalten wird, steht stärker unter Stress als eine Zelle im mittleren Ladebereich. Deshalb helfen Ladelimits. Sie verkürzen die Zeit am oberen Ende der Spannungskurve.

Eine tiefe Entladung ist die andere Seite desselben Problems. Smartphones schützen die Zelle, indem sie sich vor einer wirklich gefährlich niedrigen Spannung abschalten. Wiederholtes Entladen bis 0 % belastet den Akku trotzdem stärker als flache Ladezyklen.

Daraus folgt der praktische Rat. Halte den Akku kühl. Nutze den Bereich zwischen 20 und 80 % als Gewohnheit, wenn er zu deinem Alltag passt. Gelegentliche vollständige Ladungen sind kein Grund zur Panik. Vermeide nur, 0 bis 100 % zum normalen Ladezyklus zu machen.

Warum Graphit so schwer zu ersetzen ist

Graphit hält sich seit Langem in Smartphone-Akkus, weil es im besten Sinne langweilig ist. Es ist stabil, günstig und dehnt sich beim Laden deutlich weniger aus als Silizium.

Die Grenze ist seine Kapazität. Graphit speichert etwa 372 mAh pro Gramm. Silizium kann etwa 4.200 mAh pro Gramm speichern, weshalb Silizium-Kohlenstoff-Akkus für Android-Smartphones so interessant geworden sind. Das Problem ist die starke Ausdehnung von Silizium bei der Aufnahme von Lithium. Ohne sorgfältige Konstruktion zerreißt es sich selbst.

Mit diesem Kompromiss ringen Akkuentwickler ständig: mehr Energie im selben Raum, ohne dass die Anode nach einigen Dutzend Ladezyklen zu Staub zerfällt.

Was das für dein Smartphone bedeutet

Ein gut gesteuerter Akku kann jahrelang brauchbar bleiben. Ein schlecht behandelter kann sich schon nach anderthalb Jahren alt anfühlen. Die genauen Werte unterscheiden sich, weil Größe, Kühlung, Ladegeschwindigkeit, Software, Klima und Nutzungsgewohnheiten eine Rolle spielen.

Der nützliche Teil ist, dass du Symptome mit Ursachen verbinden kannst. Ist der Akkuzustand noch gut, das Smartphone entlädt sich aber über Nacht, suche nach Hintergrund-Apps, Wake Locks oder Signalproblemen. Liegt der Akkuzustand unter 80 % und das Gerät schaltet sich bei 20 % aus, ist wahrscheinlich die Zelle selbst das Hauptproblem. Wird das Smartphone bei jedem Ladevorgang heiß, behebe das, bevor du dich an kleinen Unterschieden in der Prozentanzeige festbeißt.

Deshalb können Aussagen zu Android-Versionen irreführend sein. Android 17 ist auf unterstützten Pixel-Geräten aktuell, doch die nützlichen Akkudiagnosen hängen weiterhin davon ab, welche Daten das Gerät bereitstellt. Die Anzahl der Ladezyklen wurde mit Android 14 öffentlich für Apps lesbar, sofern die Hardware sie meldet. Eine Prozentangabe zum Akkuzustand bleibt herstellerspezifischer.

runcheck ist auf diese Art der Diagnose ausgelegt. Der Akkuzustand ist allein nützlich, wird aber aussagekräftiger, wenn du ihn mit Temperatur, Ladeverhalten und Netzwerkbedingungen vergleichst.

Der Verschleiß eines Lithium-Ionen-Akkus lässt sich nicht vermeiden. Schlechte Gewohnheiten sorgen nur dafür, dass er früher spürbar wird.

Quellen

1. Royal Society of Chemistry: Lithium ion battery degradation: what you need to know