Chicago im Winter ist ein unbarmherziger Ort. Sie wollen sich in der Stadt bewegen? Sie haben kein Auto? Bereiten Sie sich darauf vor, 10 Minuten lang auf einem erhöhten Bahnsteig zu stehen, und versuchen Sie, so wenig wie möglich von Ihrer Haut dem rauen, stürmischen Wind auszusetzen. Ist die Temperatur wieder unter Null? Hier ist eine schwache Wärmelampe auf dem Bahnsteig; seien Sie dankbar dafür.
Ich fand mich letzten Samstag (30. Dezember) auf einem dieser Bahnsteige wieder, fröstelnd unter einer dieser Lampen, als die Temperatur auf 3 Grad Fahrenheit (minus 16 Grad Celsius) sank. Ich kam gerade vom Mittagessen, bei dem ich eine der Steckdosen des Restaurants in Beschlag genommen hatte, um mein Handy zu 100 Prozent aufzuladen; mein nächstes Ziel war das Stadtzentrum, eine Gegend, die ich nicht kannte, und ich hatte mein GPS zur Orientierung dabei. Doch als ich mein Gerät auf dem Bahnsteig aus der Tasche zog, um meine Route zu überprüfen, war der Ladestand bereits stark gesunken: Die Anzeige in der oberen rechten Ecke meines Bildschirms blinkte rot: „1% …1% …1%“. Augenblicke später war das Gerät tot.
Warum?
Die kurze Antwort ist, dass Batterien auf chemische Reaktionen angewiesen sind, um zu funktionieren, und dass eisige Temperaturen diese Reaktionen verlangsamen oder stoppen.
Lithium-Ionen-Batterien, die alltäglichen Akkus, die einen Großteil unseres modernen Lebens antreiben und in fast jedem Mobiltelefon stecken, entladen elektrischen Strom, wenn sich einzelne Lithium-Ionen durch eine Lösung von einem Ende der Batterie (der Anode) zum anderen Ende (der Kathode) bewegen. Wenn der Akku entladen ist, sind alle diese Ionen in porösem Graphit in der Kathode eingebettet. Wenn sie voll aufgeladen ist, sind sie alle in der Anode eingebettet, so Ann Marie Sastry, Mitbegründerin und CEO von Sakti3, einem Startup-Unternehmen für Batterietechnologie mit Sitz in Michigan, die für einen früheren Artikel mit Live Science sprach.
Chemiker haben keine genaue Vorstellung davon, wie Kälte die Reaktionen verlangsamt, die in Lithium-Ionen-Batterien stattfinden. „Die genauen Mechanismen, die zu einer schlechten Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei kalten Temperaturen führen, sind immer noch nicht gut verstanden“, schrieb ein Team von Batterieingenieuren in einem Artikel im Journal of The Electrochemical Society im Jahr 2011.
Aber im Großen und Ganzen stimmt es, dass extreme Kälte die Reaktionen in Batterien aller Art verlangsamt.
Als die Ladeanzeige meines Telefons auf dieser Plattform „1 %“ anzeigte, waren nicht plötzlich alle Ionen zur Kathode gesprungen. Tatsächlich verhindern kalte Temperaturen die Art von langsamer Entladung der Batterie-Ionen bei Raumtemperatur, wie die technische Website Lithiumpros.com erklärt. Aber weil die bittere Kälte die Reaktion im Inneren der Batterie verlangsamt oder gestoppt hatte, entlud sich weniger Strom, als das Telefon benötigte, um weiter zu funktionieren, schrieb die Chemikerin Anne Marie Helmenstine, die in biomedizinischen Wissenschaften promoviert hat und auf verschiedenen akademischen Ebenen Chemie unterrichtet hat, 2017 auf thoughtco.com. Das Telefon interpretierte diese schwache Entladung als Zeichen dafür, dass der Akku fast leer war, und schaltete sich kurz darauf ab.
Glücklicherweise habe ich nicht versucht, meinen Akku aufzuladen, während das Telefon noch gefroren war. Wie der Chemiker Stephen J. Harris vom Lawrence Berkeley National Laboratory auf seiner Website schreibt, kann der Ladevorgang von Lithium-Ionen-Akkus bei sehr kalten Temperaturen fürchterlich scheitern. Unter normalen Bedingungen würde das Anlegen eines elektrischen Stroms an die Batterie Ionen zurück in die Poren im Graphit der Anode transportieren. Wenn die Batterie jedoch gefroren ist, gelangen die Ionen nicht in den Graphit. Stattdessen verlassen sie die Lösung und lagern sich als festes Lithium auf der Oberfläche des Graphits ab. Dieser Vorgang kann die Leistung und Lebensdauer eines Akkus beeinträchtigen.
Als mein Telefon wieder warm wurde, zeigte sich, dass es ohnehin keine Ladung benötigte; es musste nur warm genug sein, um die Reaktion zu ermöglichen. Als ich den Einschaltknopf des frisch erwärmten Geräts drückte, schaltete es sich ein, und die Batterieanzeige zeigte „94 %“ an.
Die Ionen waren nicht verschwunden. Sie konnten sich in der Kälte nur nicht richtig bewegen.
Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.
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