Smartphones Wireless Charging schadet Akkus

Mobile Geräte kabellos zu laden ist sehr bequem. Wie Forscher der Warwick Manufacturing Group an der University of Warwick festgestellt haben, liegt dadurch die Temperatur im Akku beim Laden etwas höher als beim kabelgebundenen Laden. Die wirkt sich negativ auf dessen Lebensdauer aus.

Verbraucher und Hersteller interessieren sich verstärkt für die kabellose induktive Ladetechnik. Sie ist komfortabel und verzichtet auf das Fummeln an Steckern und Kabeln. Die Standardisierung von Ladestationen und die Integration von Ladespulen in viele neue Smartphones haben zu einer schnell wachsenden Akzeptanz dieser Technik geführt. Allein im Jahr 2017 gaben 15 Autohersteller bekannt, Konsolen zum induktiven Laden in ihre Fahrzeuge zu integrieren.

Eines der Hauptprobleme bei dieser Ladetechnik ist jedoch die Menge an unerwünschter und potenziell schädlicher Verlustwärme. Mit jedem induktiven Ladesystem sind mehrere Wärmeerzeuger verbunden – sowohl im Ladegerät selbst als auch im zu ladenden Gerät. Erschwerend kommt hinzu, dass das zu ladende Gerät und die Ladestation nah beieinander liegen müssen. Daher kann jede in einem Gerät erzeugte Wärme durch einfache Wärmeleitung und Konvektion auf das andere übertragen werden.

In Smartphones befindet sich die Empfangsspule in der Nähe der hinteren Abdeckung. Aufgrund von Einschränkungen bei der Gehäusegestaltung müssen der Akku und die Leistungselektronik des Telefons in unmittelbarer Nähe platziert werden. Dadurch sind die Möglichkeiten begrenzt, die im Telefon erzeugte Wärme abzuführen oder das Telefon vor der vom Ladegerät erzeugten Wärme zu schützen. Es ist gut dokumentiert, dass Akkus bei erhöhter Temperatur schneller altern.

So können durch Redoxreaktionen unter anderem Passivierungsschichten auf den Elektroden der Zelle schneller aufwachsen. Dadurch steigt der Innenwiderstand der Zelle irreversibel an, was letztlich zu Leistungseinbußen und Ausfällen führt. Die von den Batterieherstellern herausgegebenen Richtlinien besagen, dass der obere Betriebstemperaturbereich ihrer Produkte den Bereich von +50 °C bis +60 °C nicht überschreiten sollte, um Gasbildung und katastrophale Schäden zu vermeiden. Diese sind aber schnell erreicht, wenn ein Lithium-Ionen-Akku bei über +30 °C Außentemperatur betrieben wird.

Dies alles veranlasste Forscher der Warwick Manufacturing Group (WMG) zu untersuchen, wie stark die Temperatur bei kabelgebundener und induktiver Ladung steigt. Allerdings waren die Forscher noch mehr daran interessiert, wie es sich auswirkt, wenn das Gerät auf der Ladestation falsch ausgerichtet ist. Um eine Fehlausrichtung des Telefons und des Ladegeräts auszugleichen, erhöhen induktive Ladesysteme meist die Sendeleistung und/oder passen ihre Betriebsfrequenz an. Dies führt zu weiteren Einbußen im Wirkungsgrad und erhöht die Wärmeentwicklung. Eine solche Fehlausrichtung kann recht häufig vorkommen, da die tatsächliche Position der Empfangsantenne im Telefon nicht immer intuitiv für den Benutzer zu erkennen ist.

Dazu wurden alle drei Ladeverfahren (drahtgebunden, richtig ausgerichtetes und fehlausgerichtetes induktives Laden) auf das gleiche Mobiltelefon angewandt. Gleichzeitig erfasste eine Wärmebildkamera die Temperaturen auf dem Gehäuse (Bild 1), um die Wärmeeinwirkungen quantifizieren zu können. An der rechten Kante des Telefons steigt die Temperatur schneller an bleibt während des Ladevorgangs höher. Eine Computertomographie des Telefons ergab, dass dieser Hotspot dort liegt, wo sich auch die Hauptplatine befindet.

Beim kabelgebundenen Laden (Bild 1, links) lag die maximale Durchschnittstemperatur des Telefons nicht über +27 °C. Demgegenüber lag dessen Temperatur bei optimal ausgerichtetem induktiven Laden (Mitte) bei bis zu +30,5 °C, sank aber während der zweiten Hälfte der Ladezeit allmählich. Beim fehlausgerichteten induktiven Laden (rechts) lag die maximale Durchschnittstemperatur ebenfalls bei +30,5 °C, aber dieser Wert wurde früher erreicht und blieb viel länger auf diesem Niveau (125 Minuten gegenüber 55 Minuten bei optimal ausgerichtetem Laden).

Dies ist darauf zurückzuführen, dass die maximale Eingangsleistung der Ladestation bei falsch ausgerichtetem Telefon bei 11 W lag, bei dem optimal ausgerichteten Telefon nur bei 9,5 W. Das Ladesystem erhöhte bei Fehlausrichtung also die Sendeleistung, um die Soll-Eingangsleistung am Gerät aufrechtzuerhalten. Daher erreichte die Ladestation bei Fehlausrichtung eine maximale Durchschnittstemperatur von +35,3 °C – zwei Kelvin höher als bei optimal ausgerichtetem Telefon (+33 °C). Die zusätzliche Wärmeentwicklung ist auf Verluste in der Leistungselektronik und auf Wirbelströme zurückzuführen.

Die Forscher stellen fest, dass zukünftige Ansätze für induktives Laden diese Übertragungsverluste verringern und damit die Erwärmung reduzieren können, indem ultradünne Spulen, höhere Frequenzen und optimierte Treiberelektronik zum Einsatz kommen. So lassen sich Ladegeräte und Empfänger kompakt und effizienter gestalten und mit minimalen Änderungen in mobile Geräte oder Akkus integrieren.

Induktive Laden ist zwar bequem, aber die Lebensdauer des Akkus verkürzt sich wahrscheinlich. Viele Benutzer mögen dies als akzeptablen Kompromiss für den Ladekomfort betrachten. Für diejenigen jedoch, die eine möglichst lange Lebensdauer ihres Geräts erreichen wollen, wird weiterhin eine kabelgebundene Ladung empfohlen.

Auch wenn in diesem Fall ein iPhone 8 Plus unteersucht wurde, gelten die genannten Fragestellungen offensichtlich für alle Mobiltelefone oder portablen Geräte, die die induktive Aufladung nutzen wollen.

Originalpublikation

M. J. Loveridge, et al.: Temperature Considerations for Charging Li-Ion Batteries: Inductive versus Mains Charging Modes for Portable Electronic Devices; ACS Energy Letters, 2019, 4, 5, pgs 1086-1091.