Warum Hitze Lithium-Akkus schadet: die Zelle erklärt

Hitze ist der größte Feind jedes Akkus. Nicht Stürze, nicht das Laden über Nacht, nicht der Mythos vom „Akku leer fahren“, sondern schlicht Wärme. Ein Smartphone, das im Sommer auf dem Armaturenbrett liegt oder ständig vollgeladen in der Sonne, altert messbar schneller als eines, das kühl bleibt. Warum das so ist, lässt sich auf einer Bierdeckel-Ebene erklären und bis in die Chemie der Zelle hinein. Beides steht hier.

Das Wichtigste in Kürze

• Akkus mögen es kühl. Hersteller geben 0 bis 35 Grad als Betriebsbereich an.
• Die 10-Grad-Regel: Jede 10 Grad mehr lassen die Alterung grob doppelt so schnell laufen.
• Worst Case: hohe Temperatur und voller Ladezustand zusammen. Das ist destruktiver als beides für sich.
• Lagern: kühl und etwa halb geladen (40 bis 60 Prozent), nicht vollgeladen und nicht leer.
• Nie in den Kühlschrank. Ein heißes Gerät schlagartig abzukühlen bringt Kondenswasser und schadet zusätzlich.
• Praktisch: Hitze ist auch der Grund, warum bei gebrauchten Geräten der geprüfte Batteriezustand zählt.

Die einfache Erklärung: Wärme ist ein Beschleuniger

In einem Akku laufen ständig winzige chemische Nebenreaktionen ab, die ihn langsam altern lassen, auch wenn er nur herumliegt. Diese Reaktionen verhalten sich wie fast jede Chemie: Je wärmer es ist, desto schneller laufen sie. Die Faustregel aus der Reaktionskinetik lautet, dass eine Temperaturerhöhung um etwa 10 Grad die Geschwindigkeit ungefähr verdoppelt. Für den Akku heißt das: doppelt so schnell altern.

Das erklärt, warum ein bisschen Wärme beim Laden oder Spielen unkritisch ist, dauerhafte Hitze aber nicht. Ein paar Stunden warm sind ein kleiner Schubs. Wochen bei 40 Grad sind ein Dauerlauf.

Warum heiß und voll geladen zusammen am schlimmsten ist

Temperatur ist nur die eine Hälfte. Die andere ist der Ladezustand. Ein voll geladener Akku steht chemisch unter Spannung, im wörtlichen Sinn: Die Elektroden sind in ihrem energiereichsten, unruhigsten Zustand. Kommt dann noch Hitze dazu, addieren sich die beiden Effekte nicht nur, sie verstärken sich.

Wie groß der Unterschied ist, zeigt die bekannteste Tabelle dazu, die Lagerdaten der Battery University. Sie listet, wie viel Kapazität eine typische Zelle nach einem Jahr Lagerung noch hat, je nach Temperatur und Ladezustand.

Die Zahlen sind eindeutig. Kühl und halb geladen verliert die Zelle in einem Jahr fast nichts. Bei Zimmertemperatur und vollgeladen sind es schon rund 20 Prozent. Und bei 40 Grad und voller Ladung bleibt nach einem Jahr nur noch zwei Drittel übrig. Bei 60 Grad reichen dafür drei Monate. Genau deshalb ist das vollgeladene Handy im Sommerauto so eine schlechte Idee.

Das ist übrigens auch der Kern hinter den ganzen Akku-Tipps am Smartphone. Welche davon wirklich etwas bringen und welche Mythen sind, steht im Ratgeber Akku-Mythen: Was der Handy-Akku wirklich braucht. Und wie heiß dein Gerät überhaupt werden darf und was du bei einer Hitzewarnung tust, klärt Smartphone wird heiß.

Für alle, die es genau wissen wollen: was in der Zelle passiert

Ab hier wird es technisch. Wer nur den praktischen Teil wollte, kann zum Abschnitt über die richtige Lagerung springen. Für alle anderen: So greift Hitze die Zelle wirklich an.

Die SEI-Schicht: der eigentliche Alterungsmotor

An der Minus-Elektrode, der Anode aus Graphit, bildet sich beim allerersten Laden eine hauchdünne Schutzschicht, die Solid Electrolyte Interphase, kurz SEI. Sie ist eigentlich nützlich, denn sie trennt den Elektrolyten vom Graphit und verhindert, dass die Reaktion außer Kontrolle gerät. Das Problem: Diese Schicht wächst mit der Zeit immer weiter, und für ihr Wachstum verbraucht sie unwiderruflich Lithium, genau die Ionen, die eigentlich Energie speichern sollen. Jedes Stück SEI, das dazukommt, ist Kapazität, die für immer verloren ist, und gleichzeitig steigt der Innenwiderstand.

Das Wachstum läuft diffusionsgesteuert und folgt damit, wie die meisten solchen Vorgänge, der Arrhenius-Kinetik: Wärme liefert die Energie, die die Teilchen brauchen, um sich durch die Schicht zu bewegen. Deshalb beschleunigt Hitze das SEI-Wachstum direkt. Modellrechnungen zeigen die Größenordnung: Eine Zelle, die lange bei 55 Grad und hohem Ladezustand lagert, baut eine um ein Vielfaches dickere SEI auf als eine kühl und niedrig geladen gelagerte. Das ist kein Schaden, den man sieht, sondern stiller Kapazitätsschwund.

Elektrolyt und Leitsalz: wenn Wasser ins Spiel kommt

Der Elektrolyt transportiert die Lithium-Ionen zwischen den Elektroden. Das übliche Leitsalz darin, Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), ist in trockener Umgebung bis etwa 107 Grad stabil. Heikel wird es mit Feuchtigkeit: Schon Spuren von Wasser lassen das Salz zerfallen, und dabei entsteht unter anderem Fluorwasserstoff (HF), eine aggressive Säure. Diese greift die Elektroden-Oberflächen an, fördert die Auflösung von Metallen aus der Kathode und treibt die Alterung weiter. Hitze beschleunigt auch diesen Zerfall. Deshalb kontrollieren Hersteller den Wassergehalt im Elektrolyten extrem streng, im Bereich weniger Teile pro Million.

Die Kathode: Strukturschäden und Sauerstoff

Auf der Plus-Seite, der Kathode aus einem Metalloxid (bei Smartphones meist Nickel-Mangan-Cobalt, NMC), richtet Hitze in Kombination mit hoher Ladespannung ebenfalls Schaden an. Übergangsmetalle wie Mangan lösen sich aus dem Gitter und wandern zur Anode, wo sie weitere Nebenreaktionen anstoßen. Bei sehr hohem Ladezustand und Temperatur kann das Kristallgitter sogar Sauerstoff abgeben. Dieser Sauerstoff ist hochreaktiv und beschleunigt den Zerfall zusätzlich. Im normalen Betrieb passiert das nur in kleinem Maßstab, aber es ist der Anfang derselben Kette, die im Extremfall zum thermischen Durchgehen führt.

Die Mathematik dahinter, kurz

Hinter der 10-Grad-Faustregel steckt die Arrhenius-Gleichung. Die sogenannte Aktivierungsenergie für die kalendarische Alterung liegt für die genannten Prozesse grob bei 23 bis 30 Kilojoule pro Mol. Daraus ergibt sich rechnerisch, dass die Reaktionsgeschwindigkeit pro 10 Grad um ungefähr das Anderthalb- bis Zweieinhalbfache steigt. Die griffige „Lebensdauer halbiert sich pro 10 Grad“ ist also eine Vereinfachung, die je nach Zelle und Bedingungen mal etwas besser, mal etwas schlechter zutrifft, aber die Richtung stimmt immer.

Den Unterschied zwischen kalendarischer Alterung (das Gerät altert allein durch Liegen und Zeit) und zyklischer Alterung (durch Laden und Entladen) sollte man dabei kennen: Bei Hitze dominiert die kalendarische Alterung. Ein heißes Handy altert, ob du es benutzt oder nicht.

Der Extremfall: das thermische Durchgehen

Alles bisher war normale Alterung. Es gibt aber einen Punkt, an dem die Reaktionen nicht mehr nur langsam altern lassen, sondern sich selbst aufschaukeln. Das nennt man thermisches Durchgehen (Thermal Runaway). Es passiert nicht im Alltag, sondern braucht einen Auslöser, starke Überhitzung von außen, Überladung, eine mechanische Beschädigung oder einen inneren Kurzschluss. Ab dann läuft eine Kaskade, Stufe für Stufe, bei der jede Stufe Wärme freisetzt, die die nächste zündet.

Es beginnt um 80 bis 120 Grad damit, dass die schützende SEI-Schicht zerfällt, die erste selbstverstärkende Reaktion. Bei 130 bis 165 Grad schmilzt der Separator, die dünne Folie, die Plus- und Minus-Elektrode trennt. Eigentlich soll dieses Schmelzen die Zelle abschalten, oft führt es aber zum inneren Kurzschluss. Ab 200 bis 230 Grad zerfällt bei den gängigen NMC- und Cobalt-Kathoden das Gitter und gibt Sauerstoff frei, der den Elektrolyten verbrennen lässt. Am Ende kann die Zelle über 500 Grad heiß werden und mit Flamme abblasen.

Warum manche Akkus sicherer sind: Die Chemie der Kathode entscheidet mit. Lithium-Eisenphosphat (LFP), wie es in vielen Stromspeichern und immer mehr E-Autos steckt, beginnt erst bei rund 270 bis 300 Grad zu zerfallen und gibt praktisch keinen Sauerstoff ab. Es ist damit deutlich gutmütiger als NMC, allerdings auch etwas weniger energiedicht. Mehr zu den verschiedenen Akkutypen und was nach Lithium kommt, steht im Ratgeber Akku-Technologien nach Lithium.

Warum voller Ladezustand auch hier schlimmer ist: Ein vollgeladener Akku geht früher und heftiger durch als ein halb geladener. Bei hoher Ladung ist die Kathode stärker entladen an Lithium und gibt leichter Sauerstoff ab. Das ist derselbe Mechanismus wie bei der normalen Alterung, nur in der eskalierten Variante.

Die praktischen Konsequenzen

Aus all dem folgen ein paar einfache Regeln, die jeden Akku länger leben lassen:

• Kühl halten. Nicht in die pralle Sonne, nicht aufs Armaturenbrett, nicht in die heiße Hosentasche neben den Körper beim Sport.
• Nicht heiß laden. Laden erzeugt zusätzlich Wärme. Beim Laden in der Sonne kommen beide Wärmequellen zusammen. Wie Laden überhaupt funktioniert und ob schnelles Laden schadet, erklärt der Hintergrund-Ratgeber Wie schnelles Laden funktioniert.
• Zum Lagern halb laden. Wer ein Gerät länger weglegt, lädt es auf etwa 50 Prozent und lagert es kühl. Nicht leer (dann droht Tiefentladung) und nicht voll.
• Nie in den Kühlschrank. Das ist der häufigste falsche Reflex. Ein heißes Gerät schlagartig abzukühlen, lässt Feuchtigkeit im Inneren kondensieren und kann Kurzschlüsse und Korrosion verursachen. Einfach an einen schattigen Ort legen und langsam abkühlen lassen.
• Aufgeblähte Akkus ernst nehmen. Wölbt sich ein Gehäuse oder bläht sich ein Akku auf, ist Schluss: nicht mehr laden, nicht durchstechen, kühl und trocken zwischenlagern und fachgerecht entsorgen. Wie das geht, steht im Ratgeber Akku und Batterie richtig entsorgen.

Was das mit gebrauchten Geräten zu tun hat

Hitze ist der Grund, warum bei einem gebrauchten Smartphone nicht das Alter zählt, sondern der tatsächliche Zustand des Akkus. Zwei gleich alte Geräte können völlig unterschiedlich dastehen, je nachdem, ob sie gepflegt oder gekocht wurden. Genau deshalb prüfen wir bei unseren generalüberholten Geräten den Batteriezustand, statt aufs Baujahr zu schauen. Wie du diesen Zustand selbst abliest, zeigt der Ratgeber iPhone-Batteriezustand prüfen. Und warum gebrauchte Geräte nicht automatisch kurz vor dem Ende stehen, ordnet der ehrliche Blick auf Akku-Mythen ein.

Talkis Empfehlung

Die ganze Chemie lässt sich auf einen Satz eindampfen: Halte deinen Akku kühl und lade ihn nicht ständig randvoll. Damit umgehst du die beiden Faktoren, die zusammen am meisten Schaden anrichten. Im Alltag heißt das vor allem: raus aus Sonne und Hitze, gerade beim Laden. Und wenn du ein gebrauchtes Gerät kaufst, schau auf den geprüften Batteriezustand statt aufs Baujahr, denn der erzählt die wahre Geschichte. Wenn du dabei sichergehen willst, frag mich, unsere Geräte sind geprüft.

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Häufige Fragen

Warum schadet Hitze dem Akku? Wärme beschleunigt die chemischen Nebenreaktionen, die einen Akku altern lassen, vor allem das Wachstum der SEI-Schutzschicht, die dabei nutzbares Lithium verbraucht. Als Faustregel verdoppelt sich die Alterungsgeschwindigkeit pro 10 Grad.

Welche Temperatur ist für einen Akku ideal? Im Betrieb geben die Hersteller 0 bis 35 Grad an. Zum Lagern ist kühler besser, ideal um die 10 bis 20 Grad, und das bei etwa halbem Ladezustand.

Ist es schlimm, das Handy voll geladen zu lagern? Voll und warm zusammen ist die ungünstigste Kombination. Bei Zimmertemperatur und voller Ladung verliert eine Zelle in einem Jahr rund 20 Prozent Kapazität, bei 40 Grad deutlich mehr. Zum längeren Lagern lieber halb laden.

Hilft es, ein heißes Handy in den Kühlschrank zu legen? Nein. Die schnelle Abkühlung lässt Feuchtigkeit im Gerät kondensieren und kann Kurzschlüsse oder Korrosion verursachen. Lass es stattdessen an einem schattigen Ort langsam abkühlen.

Warum gelten LFP-Akkus als sicherer? Ihre Kathode aus Lithium-Eisenphosphat zerfällt erst bei deutlich höheren Temperaturen und gibt dabei praktisch keinen Sauerstoff ab. Dadurch ist das Risiko eines thermischen Durchgehens geringer. Dafür speichern sie etwas weniger Energie pro Gewicht.

Was ist thermisches Durchgehen? Eine sich selbst aufschaukelnde Kettenreaktion, die durch starke Überhitzung, Überladung oder Beschädigung ausgelöst wird. Dabei zündet jede Stufe die nächste, bis die Zelle Feuer fangen oder explodieren kann. Im normalen Gebrauch tritt das nicht auf.

Quellen und zum Weiterlesen

• Battery University: BU-808 — How to Prolong Lithium-based Batteries und BU-808b — What Causes Li-ion to Die?
• Vetter et al. (2005): *Ageing mechanisms in lithium-ion batteries*, Journal of Power Sources.
• Feng et al. (2018): *Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review*, Energy Storage Materials.
• Waldmann et al. (2014): *Temperature dependent ageing mechanisms in Lithium-ion batteries*, Journal of Power Sources.