Welche Spannung hat ein Lithium-Ionen-Akku im normalen Betrieb?

Bei einer klassischen Lithium-Ionen-Zelle liegt die Nennspannung meist bei 3,6 bis 3,7 Volt, voll geladen sind es etwa 4,2 Volt und im unteren nutzbaren Bereich oft rund 3,0 Volt. Für die spannung lithium ionen akku ist aber wichtig: Last, Temperatur, Alter und Zellchemie können den Messwert deutlich verschieben. Wer einen Akku beurteilen will, sollte deshalb zuerst klären, ob es um eine einzelne Zelle oder um einen Akkupack mit mehreren Zellen geht.

Wann ein Lithium-Ionen-Akku voll oder leer ist

Die wichtigsten Werte beziehen sich immer auf eine einzelne Zelle. Bei Akkupacks müssen Sie die Werte mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen multiplizieren. Eine Akkuanzeige in Prozent kann davon abweichen, weil Geräte zusätzlich Temperatur, Last und Alterung berücksichtigen.

Voll bei etwa 4,2 Volt

Etwa 4,2 Volt pro Zelle gelten bei vielen klassischen Lithium-Ionen-Akkus als voll geladen. Das ist nicht die normale Betriebsspannung, sondern die obere Ladegrenze. Ein Akku mit 4,0 Volt ist also schon gut geladen, aber meist noch nicht ganz am Ladeende.

Teilgeladen bei etwa 3,7 Volt

3,6 bis 3,7 Volt sind bei vielen Li-Ion-Zellen die Nennspannung. Das wird häufig falsch verstanden: Ein Akku ist bei 3,7 Volt normalerweise nicht voll, sondern irgendwo im mittleren Arbeitsbereich.

Für längere Lagerung ist ein Bereich um 3,6 bis 3,8 Volt oft günstiger als 100 Prozent Ladung. Das ist besonders praktisch bei Ersatzakkus, die nur gelegentlich genutzt werden, etwa für Taschenlampe, Kamera oder Werkzeug.

Leer je nach Zelle ab etwa 3,0 Volt

Bei vielen klassischen Li-Ion-Zellen beginnt der untere nutzbare Bereich ungefähr bei 3,0 Volt pro Zelle. Manche Geräte schalten früher ab, damit der Akku nicht zu tief entladen wird. Unter Last kann der Wert kurz niedriger aussehen und nach einer Pause wieder etwas steigen.

Kritisch tiefentladen unter etwa 2,5 Volt

Unter etwa 2,5 Volt pro Zelle sollte man vorsichtig werden. In diesem Bereich kann eine Tiefentladung vorliegen, die Kapazität, Innenwiderstand und Sicherheit verschlechtert. Ein Akku, der so niedrig liegt, sollte nicht einfach mit irgendeinem Ladegerät „wiederbelebt“ werden.

• Einmal niedrig gemessen: erst ruhen lassen und erneut messen.
• Bleibt der Wert sehr niedrig: nicht weiter entladen und nicht unbeaufsichtigt laden.
• Bei Wärme, Geruch, Schwellung oder Beschädigung: nicht weiterverwenden und fachgerecht entsorgen.

Wie sich die Spannung beim Laden verändert

Beim Laden steigt die Zellspannung nicht beliebig, sondern folgt einer begrenzten Ladekurve. Das Ladegerät lädt zunächst mit Strom, bis die obere Spannung erreicht wird. Danach bleibt die Spannung konstant und der Strom nimmt ab.

Spannung steigt beim Laden an

Während des Ladens wandert die Spannung einer teilentladenen Zelle nach oben. Ein schneller Anstieg heißt aber nicht automatisch, dass der Akku schon viel Energie gespeichert hat. Kleine, alte oder kalte Zellen können früh hohe Spannungen zeigen und später trotzdem schnell einbrechen.

Ladestrom sinkt am Ende

Am Ladeende wird es langsamer: Sobald die Zelle ungefähr 4,2 Volt erreicht, hält das Ladegerät diese Spannung und der Ladestrom fällt. Darum dauern die letzten Prozent bei vielen Geräten spürbar länger als die ersten.

4,2 Volt werden nicht überschritten

Bei klassischen Li-Ion-Zellen sollte die Ladespannung von 4,2 Volt pro Zelle normalerweise nicht überschritten werden. Schon kleine Überschreitungen können die Zelle stärker altern lassen oder im ungünstigen Fall sicherheitskritisch werden.

Ladegerät muss zur Zellchemie passen

Ein Ladegerät muss zur Zellchemie und zur Zellenzahl passen. Ein klassischer Li-Ion-Akku, ein LiPo-Akku mit ähnlichen Spannungen und ein LiFePO4-Akku dürfen nicht automatisch gleich behandelt werden. Entscheidend sind die Herstellerangaben des konkreten Akkus.

• Einzelzelle: Ladegerät für genau diese Zellchemie verwenden.
• Mehrzelliger Pack: Ladegerät muss zur S-Zahl passen, zum Beispiel 2S oder 3S.
• Dauerbetrieb am Netz: wenn möglich Ladebegrenzung nutzen, etwa bei Notebook oder Powerstation.
• Sehr kalt oder heiß: Akku vor dem Laden erst auf moderate Temperatur kommen lassen.

Wie sich die Spannung beim Entladen verändert

Beim Entladen fällt die Spannung nicht wie eine gerade Linie. Viele Lithium-Ionen-Akkus bleiben über einen großen Teil der Nutzung relativ stabil und fallen erst gegen Ende deutlicher ab. Deshalb kann ein Gerät lange normal wirken und kurz vor leer plötzlich abschalten.

Spannung fällt langsam ab

Nach der Vollladung sinkt die Spannung zunächst von etwa 4,2 Volt ab und bewegt sich dann längere Zeit im mittleren Bereich. Ein Messwert um 3,7 Volt ist daher kein Warnsignal, sondern bei vielen Zellen ganz normal.

Hohe Last senkt den Messwert

Ein Akkuschrauber beim Bohren, eine Drohne beim Steigen oder ein E-Bike am Berg zieht viel Strom. Dabei fällt die gemessene Spannung kurzfristig ab, weil der Innenwiderstand der Zelle eine Rolle spielt. Nach einer Pause kann der Wert wieder höher liegen.

Kälte verstärkt den Spannungsabfall

Bei Kälte liefern Lithium-Ionen-Akkus oft weniger Leistung. Die Spannung fällt unter Last schneller ab, obwohl noch Energie vorhanden sein kann. Ein Smartphone, das im Winter plötzlich ausgeht, ist deshalb nicht automatisch defekt.

Alte Zellen brechen schneller ein

Mit dem Alter steigen Innenwiderstand und Kapazitätsverlust. Der Akku kann dann im Leerlauf noch halbwegs normal aussehen, bricht aber bei Belastung schnell ein. Typische Zeichen sind plötzliche Sprünge in der Prozentanzeige, frühes Abschalten oder deutlich kürzere Laufzeit.

Wenn ein alter Akku bei leichter Nutzung noch reicht, muss er nicht sofort ersetzt werden. Für hohe Last, längere Fahrten oder sicherheitsrelevante Anwendungen ist ein schwächelnder Akku dagegen keine gute Reserve mehr.

Spannung bei mehreren Zellen berechnen

Bei mehreren Zellen in Reihe addieren sich die Spannungen. Die Bezeichnung dafür ist oft 1S, 2S, 3S oder 4S. Das S steht für Reihenschaltung. Wichtig ist dabei der Unterschied zwischen Nennspannung und voller Ladespannung.

1S steht für eine Zelle

1S bedeutet eine Zelle in Reihe. Eine typische Li-Ion-Zelle hat dann etwa 3,6 bis 3,7 Volt Nennspannung, 4,2 Volt voll geladen und ungefähr 3,0 Volt im unteren nutzbaren Bereich.

2S verdoppelt die Zellspannung

Bei 2S liegen zwei Zellen in Reihe, die Spannung verdoppelt sich also ungefähr. Voll geladen sind das etwa 8,4 Volt, nicht 7,4 Volt. Genau diese Verwechslung führt häufig zu falschen Ladegeräten.

Bei 2S und mehr reicht die Gesamtspannung allein nicht immer aus. Zwei Zellen können zusammen unauffällig wirken, obwohl eine Zelle zu hoch und die andere zu niedrig liegt. Ein BMS oder Balancer ist deshalb mehr als Komfort.

3S und 4S addieren weitere Zellen

3S ergibt bei klassischen Li-Ion-Zellen etwa 11,1 Volt Nennspannung und 12,6 Volt voll geladen. 4S liegt bei etwa 14,8 Volt Nennspannung und 16,8 Volt voll geladen. Für Geräte, Ladegeräte und Schutzschaltungen zählt immer dieser komplette Spannungsbereich.

So messen Sie die Akku Spannung richtig

Eine Spannungsmessung ist einfach, aber nur dann hilfreich, wenn Sie den Messwert richtig einordnen. Messen Sie möglichst nicht direkt nach starker Belastung und nicht unmittelbar nach dem Laden, wenn Sie den Ladezustand grob abschätzen möchten.

Für lose Zellen reicht oft ein Multimeter. Bei geschlossenen Akkupacks sehen Sie von außen meist nur die Gesamtspannung, nicht die einzelnen Zellspannungen. Das ist für eine schnelle Prüfung nützlich, ersetzt aber keine Diagnose jeder Zelle.

Akku vor der Messung ruhen lassen

Lassen Sie den Akku vor einer Vergleichsmessung einige Minuten ruhen, bei stark belasteten oder großen Akkus eher länger. Direkt nach dem Laden kann die Spannung etwas höher wirken, direkt nach hoher Last niedriger.

Multimeter korrekt ansetzen

Stellen Sie das Multimeter auf Gleichspannung und wählen Sie einen passenden Messbereich. Die rote Messspitze gehört an Plus, die schwarze an Minus. Bei offenen Kontakten sollten Sie ruhig arbeiten, damit keine Messspitze abrutscht und einen Kurzschluss verursacht.

• Keine Metallteile lose danebenlegen: Kurzschlussgefahr.
• Nicht an beschädigten Zellen herumprobieren: Risiko unnötig hoch.
• Bei verklebten Geräteakkus: lieber nicht öffnen, wenn Erfahrung und Werkzeug fehlen.

Messwert mit Zelltyp abgleichen

Ein Voltwert hat nur Sinn, wenn Sie den Zelltyp kennen. 4,2 Volt als Vollwert passt zu vielen klassischen Li-Ion-Zellen, aber nicht automatisch zu jeder Lithium-Chemie. LiFePO4-Zellen haben andere Spannungsbereiche.

Auffällige Werte vorsichtig bewerten

Ein einzelner Messwert beweist selten alles. Niedrige Spannung kann durch Kälte, Last oder lange Lagerung entstehen; normale Leerlaufspannung kann eine gealterte Zelle unter Last nicht retten. Entscheidend ist, ob der Akku normal lädt, die Spannung hält und unter Belastung nicht auffällig einbricht.

Fazit

Für die meisten klassischen Lithium-Ionen-Zellen sind 4,2 Volt voll, 3,6 bis 3,7 Volt der typische Mittelbereich und etwa 3,0 Volt der Punkt, an dem man nicht mehr viel Reserve erwarten sollte. Der beste erste Check ist deshalb: Zellzahl kennen, in Ruhe messen und den Wert mit dem richtigen Zelltyp vergleichen. Wenn ein Akku sehr tief liegt, unter Last stark einbricht oder äußerlich auffällig ist, lohnt sich keine Schönrechnung mehr.