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Warum 20.000 mAh nicht immer 20.000 mAh sind?

Die Überlegung klingt einfach: „Mein Smartphone hat einen 3.000-mAh-Akku. Will ich das unterwegs bis zu zwei Mal aufladen, brauche ich eine Powerbank mit etwa 6.000 mAh.“ Die Praxis zeigt jedoch, dass das Rechenbeispiel eigentlich nie aufgeht und man immer etwa ein Viertel bis ein Drittel mehr „Platz“ im Akku einplanen sollte, als man rechnerisch benötigt. Aber warum eigentlich?

Im Folgenden wollen wir in aller Kürze mit ein paar Mythen aufräumen und erklären, warum auch selten echter Betrug am Kunden vorliegt.

Verbraucher vergessen? Smartphone, Tablet und Co.

Gerne vergessen: Unsere Smartphones, Tablets und Notebooks sind während des Ladevorgangs für gewöhnlich aktiv, egal ob im Stand-By oder mit aktivem Display. Da die Geräte nicht wissen, ob eine Powerbank oder ein Netzladegerät den Strom liefert, werden während des Ladevorgangs zudem oft noch diverse Stromsparmechanismen deaktiviert und Hintergrundaufgaben durchgeführt, beispielsweise Updates aus dem App-Store herunterzuladen oder ein Cloud-Back-Up durchzuführen.

Die Powerbank muss also nicht nur von 20 auf 100 Prozent Laden, sondern auch noch mehrere Stunden „Grundversorgung“ leisten. Aus „nur 80 Prozent“ werden so schnell 90-110 Prozent einer vollen Akkuladung.

Mehr Netto vom Brutto – von Betrug bis Tiefentladung

Die einfachste Erklärung: In den Akku passt tatsächlich signifikant weniger Energie als es der Hersteller verspricht. Jedoch ist dies nach unseren Tests selten der Fall. Zum Zeitpunkt der letzten Artikelaktualisierung wurden 98 USB-Akkus getestet, im Durchschnitt erreichen die Energiespeicher 85,2 Prozent der beworbenen Kapazität (Median: 86,2 Prozent). Größere Abweichungen gibt es vor allem bei sehr kleinen Modellen (6.500 mAh und weniger).

Wie groß ist die Abweichung zwischen beworbener und real nutzbarer Kapazität in USB-Akkus? Wir haben 98 USB-Powerbanks mit Kapazitäten von 2.000 bis 27.000 mAh nachgemessen (Stand 08/2022).
Wie groß ist die Abweichung zwischen beworbener und real nutzbarer Kapazität in USB-Akkus? Wir haben 98 USB-Powerbanks mit Kapazitäten von 2.000 bis 27.000 mAh nachgemessen (Stand 08/2022).

Die durchschnittlich 15 Prozent Abweichung lassen sich ebenfalls erklären: Li-Ion-Akkus dürfen aus Sicherheitsgründen sowie zur Förderung eines möglichst langen Lebens nie vollständig be- und entladen werden. Die Ladeelektronik in den Powerbanks überwacht dafür die Akkuzellen und verhindert eine sogenannte Tiefentladung. Die Akkus haben folglich meist durchaus die angegebene Kapazität, jedoch lässt sich diese zum Selbstschutz des Akkus nicht abrufen. Wenige Hersteller geben auf der Verpackung sowohl Netto- als auch Brutto-Kapazität an.

Irgendetwas war da doch mit 5 und 3,7 Volt?

Gerne als Erklärung verwendet, abseits falscher Messwertinterpretation jedoch irrelevant: Die Spannung. Korrekt ist, dass Lithium-Ion-Akkus die elektrische Ladung bei einer Spannung von etwa 3,7 Volt speichern, USB jedoch 5 Volt (neue Standards bis zu 48 Volt, mehr dazu weiter unten) zur Übertragung vorsieht. Da die eigentlich relevante Angabe, die Menge der gespeicherten Energie, in Wattstunden (Wh; Beispiel: 1 A * 5 V * 1 h = 5 Wh) und nicht Milliemperestunden (mAh) angegeben wird, spielt dies jedoch keine Rolle. Die Einheit Watt berücksichtigt die Spannung bereits und macht damit ein Umrechnen unnötig.

Dennoch lässt sich die Angabe in mAh zweckentfremden: Am Ende werden die 5-48 Volt Übertragungsspannung meist wieder zu etwa 3,7 Volt Zellspannung für den Li-Ion-Akku im Smartphone, Tablet oder Notebook. Hier gibt es folglich keinen nennenswerten Unterschied zwischen 6.000 mAh in der Powerbank und 6.000 mAh im Tablet.

Spannung wandle dich!

Ein klein wenig hat die Spannung dann aber doch mit dem Problem der „verschwindenden Energie“ zu tun. Natürlich verschwindet die Energie nicht einfach, sie wird umgewandelt. Vor allem in Wärme. Beim Wandeln von 3,7 Volt Zellspannung auf 5-48 Volt Übertragungsspannung zurück auf 3,7 Volt im neuen Akku geht ein kleiner Teil in Form von thermischer Energie verloren.

Wie viel hängt von der Güte der Wandler in Powerbank und Smartphone ab, für gewöhnlich sind die Verluste aber jeweils im einstelligen Prozentbereich und spielen eine eher untergeordnete Rolle.

Warum überhaupt die Spannung ändern? | Die Kabel

Die Antwort ist recht simpel: Mehr Energie als man beim Wandeln der Spannung verliert, geht womöglich auf dem Weg von der Powerbank hin zum Ziel im Kabel verloren. Hier müssen wir leider noch einmal kurz in die Theorie abtauchen:

Wie bereits erwähnt ist die entscheidende Einheit für den Ladevorgang Watt und nicht Ampere. Will man die gleiche Menge Energie, beispielsweise 20.000 mWh, übertragen, muss je nach Spannung eine unterschiedlich hohe Ladung (Ampere) im Kabel „fließen“. Bei 3,7 Volt ~5.400 mAh, bei 20 Volt nur 1.000 mAh. Will man die Energie in jeweils einer Stunde übertragen, bedeutet das eine Stromstärke von 5,4 A bei 3,7 Volt oder lediglich 1 A bei 20 Volt.

Na und? Dann eben 5,4 statt 1 Ampere! Leider nein. Die Stromstärke beeinflusst exponentiell den Verlust im Kabel. In Zahlen ausgedrückt: Bei 5,4 Ampere ginge fast 30-mal mehr Energie im Kabel verloren als bei einem Strom von lediglich 1 A. Genau aus diesem Grund werden große Mengen Energie in unserem Stromnetz in Hoch- und Höchstspannungsleitungen transportiert und der neue USB-C Power Delivery 3.1 Standard erlaubt bis zu 48 Volt für stromhungrigere Geräte wie Notebooks oder Drucker.

Ein grundlegendes Problem sind folglich auch die Kabel selbst: Besonders billige Kabel mit dünnen Kupferadern sind nicht für hohe Stromstärken geeignet, aber auch möglichst lange USB-Kabel für mehr Flexibilität können für Verluste im zweistelligen Prozentbereich sorgen. Wer ein teures Smartphone oder Tablet gekauft hat, sollte bestmöglich auch das beiliegende Kabel zum Laden benutzen.

Schnellladetechnologien – Pro und Contra

Moderne USB-Akkus mit USB-C und Power Delivery
Moderne USB-Akkus mit USB-C und Power Delivery

Pro: Moderne Schnellladetechnologien sorgen für weniger Verluste im Kabel.

Wer schnell laden will, muss viel Energie in kurzer Zeit übertragen. Kein Wunder also, dass billige Kabel auch hier stören. Jedoch ist zu beachten, dass immer mehr Hersteller auf moderne Schnellladetechniken setzen, die meist mit 9-21 Volt Übertragungsspannung arbeiten. Vor allem bei Smartphones mit etwa 18-27 Watt Leistungsaufnahme und somit bestenfalls 1-2 Ampere reichen auch günstige Kabel.

Kontra: Die Akkus werden stärker belastet

Das Problem mit Schnellladetechnologien liegt in den Akkus selbst. Je kleiner der Akku, desto weniger Energie sollte man gleichzeitig be- und entladen. Wird ein Akku besonders schnell be- oder entladen, wird immer mehr Energie in Hitze umgewandelt (Zellwiderstand). Das Problem betrifft vor allem High-End-Smartphones mit Schnellladetechnologien, die teils über 100 W Leistung anlegen.

Die Akkus großer USB-Powerbanks, beispielsweise mit 20.000 mAh, beansprucht der dafür erforderliche Entladevorgang zwar weniger als den kleineren Smartphone- oder Tablet-Akku, in Kombination mit den Ladeverlusten im Zielgerät, Wandlungsverlusten für die Übertragung und Verlusten im Kabel können jedoch beträchtliche Mengen elektrische Energie in Wärme umgewandelt werden, die so nicht mehr zur eigentlichen Ladung zur Verfügung stehen.