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Der typische Anblick, wie voll ist der Akku?

Diese Frage hat sich der ein oder andere bestimmt schonmal gestellt, woher weiß das Handy, das der Akku leer ist? Er wird nicht kleiner oder leichter, blinkt nicht und trotzdem weiß das Handy wie viel Saft noch drinne ist! Wie geht das?

Wie funktioniert ein Akku?

Ein Akku ist eine sogennante galvanische Zelle, bennant nach Luigi Galvani, der das fließen von Strom aus Metallen die in Kontakt treten beobachten konnte, da tote Tiere dann, wenn man beispielsweise Zink und Kupfer miteinander verbindet und dann das jeweilige Metall an je eine unterschiedliche Stelle des Tieres hält, zucken.

Dies beruht darauf, dass jedes Metall ein gewisses Bestreben hat in Lösung zu gehen, was aber nur möglich ist, wenn es als Metallion in Wasser vorliegen kann. Ein Ion benötigt immer ein Gegenion, so wird auch hier ein zweites Metall benötigt, welches dann die Elektronen aufnimmt, die das eine Metallatom abzugeben versucht.

In unserem Beispiel ist Kupfer "edler" als Zink, was bedeutet Zink hat das größere Bestreben in Lösung zu gehen, weshalb das Zink zum Zinkion mit 2 positiven Ladungen wird und das Kupfer, da es edler ist diese Elektronen aufnimmt und somit selbst nicht in Lösung gehen kann.

Alles nochmal einfach: Es gibt Elemente und Verbindungen, die unterschiedlich stark bestrebt sind in Lösung zu gehen, beziehungsweise ihre Oxidationsstufe zu ändern. Diese Bestreben finden sich in der sogennanten Spannungsreihe der Elemente weider, eine Tabelle in der die Werte gemessen wurden, wieviel Spannung, also sozusagen ein Maß für die Stärke des Bestrebens in Lösung zu gehen, ein Element gegen einen Nullpunkt aufweist. Je Größer dieser Wert ist, desto edler ist das Metall, das bedeutet desto weniger will es in Lösung gehen, den kleinsten bekannten Wert hat Lithium, mit -3,04 V und den größten Wert hat Flour mit +2,87 V. Wenn man also eine Batterie bauen würde in der Lithium und Flour die beiden beteiligten Stoffe wären, so hätte diese Batterie fast 6 V Spannung, eine größere Spannung ist auf chemischem Wege nicht erreichbar. Ein Akku ist lediglich eine Batterie, bei der die Umkehrung der Entladung weider durch Strom machbar ist: Wenn man also den Strom so anlegt, das er die Elektronen wieder zurück zum Zink in Galvanis Experiment brächte, so würde theoretisch diese "Batterie" wieder geladen werden und man könnte sie noch einmal verwenden.

Vereinfacht gesagt findet in modernen Lithium-Ionen Akkus der Transport von Elektronen, die von Lithium stammen durch das zu betreibende Gerät auf die andere Seite des Akkus statt, wo sie von einem anderen Metall wie beispielsweise Kobalt aufgenommen werden. Die Lithium-Ionen können sich frei durch den Akku bewegen und sind nun auch auf dei andere Seite des Akkus gewandert, da sie im Prinzip am liebsten das Elektron wieder hätten, das Kobalt diese aber nicht abgibt. Beim Laden wird dieser Prozess umgekehrt, da der Strom die Elektronen mit "Gewalt" vom Kobalt entfernt und wieder dem Lithium auf der anderen Seite des Akkus zuführt.

Und wie merkt das Handy jetzt wie viel Lithium noch drinnen ist?

Diese Werte für die Spannung eines Elementes aus der Spannungsreihe sind erstmal nur "Normalwerte". Sie sind in der Praxis meist anders, da das sogennante Potential, oder die Spannung einer Hälfte ("Halbzelle") der Batterie, also beim Lithium-Ionen Akku entweder Kobalt oder Lithium davon abhängt, wieviel noch vom Stoff vorhanden ist. Wenn es theoretisch ganz ganz viel Lithium gibt, was das Eletkron noch abgeben kann, so wird dies auch passieren und einfach gehen, man hat ja einfach gesagt große Auswahl, wenn allerdings nurnoch wenig Lithium mit Elektronen vorhanden ist, so wird dieser Rest auch nicht so einfach aufgeben, das Entladen wird schwieriger.

Dieses Phänomen wurde von Walther Nernst erforscht. Das Potential einer Halbzelle ändert sich mit der vorhanden Stoffmenge an Produkt und Edukt. Er formulierte folgende Gleichung:

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Nernst'sche Gleichung

Hierbei ist T die Tmeperatur, R und F Naturkonstanten und z ist die Anzahl an Elektronen die von oxidierter zu reduzierter Form ausgetauscht werden müssen. Bei Lithium ist dies 1, bei Zink beispielsweise meist 2. E° ist das Standartpotential, welches aus der Spannungsreihe abgelesen werden kann und cOx und cRed stehen hierbei für die Konzentrationen der jeweils oxidierten und reduzierten Form der Stoffe.

Wenn also viel Oxidierte Form vorhanden ist, so wird der Wert von E größer, wenn viel reduzierte Form vorhanden ist, wird E kleiner, bei Lithium ist E schon klein, das bedeutet wenn viel Oxidierte Form, also Lithium-Ionen auf der Seite der Kobaltatome sind, so ist der Wert der Spannung von Lithium Größer, der unterschied jedoch zwischen Lithium und Kobalt wird kleiner, da Lithium ja eigentlich negativ war und somit jetzt größer wird, also wird der Unterschied kleiner, die Spanung des Akkus wird geringer. Und jetzt sind wir beim Knackpunkt, das Handy misst einfach die Spannung die der Akku noch liefert, diese wird immer geringer, je "leerer" der Akku wird und wenn er wieder Geladen wird, wird ja wieder das Lithium in seine Reduzierte Form überführt, also wird die Spannung wieder auf den Ausgangswert zurückgebracht. Hier liegt dann auch ein kleines Problem, wenn man Geräte die mit einer Sorte Akkus betrieben werden soll mit einer anderen Sorte betreibt, wenn die Spannung sich hier anders verhällt, als das Gerät programmiert ist zu messen, so wird die unter umständen ein leerer Akku als voll angezeigt und ein voller Akku als leer.