LFP-Batterien: Was ist ein Lithium-Eisen-Phosphat-Akku?

LFP Batterie

Du hast wahrscheinlich schon von Lithium-Ionen-Batterien gehört und dich gefragt, was sie sind. Lithium-Ionen-Batterien verwenden Lithium-Eisen-Phosphat als Kathodenmaterial und eine Graphit-Kohlenstoff-Elektrode mit einer metallischen Unterlage als Anode. Diese Batterie hat eine geringe Energiedichte, bietet aber viele andere Vorteile. In diesem Artikel wird erklärt, was eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie ist und was sie von einer herkömmlichen Batterie unterscheidet.

Lithium-Eisen-Phosphat (LIF oder LFP)

Eine Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (LIP) ist eine Lithium-Ionen-Batterie, die eine Kohlenstoff-Graphit-Elektrode mit einer metallischen Unterlage als Anode verwendet. Wie andere Lithium-Ionen-Batterien ist sie wiederaufladbar und bietet eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Blei-Säure-Batterien. Nachfolgend sind einige Vorteile von LIP-Batterien aufgeführt. Wenn sie richtig konstruiert sind, können sie bis zu 500 Milliampere Strom liefern.

RELiON Lithium-Eisenphosphat-Batterien bieten eine hochwertige Energiequelle für eine Vielzahl von Anwendungen. Egal, ob du eine wiederaufladbare Batterie für dein Auto oder eine tragbare Energiequelle für deine Outdoor-Aktivitäten brauchst, eine LiP-Batterie bietet eine robuste und langlebige Energieversorgung. Dieser Batterietyp ist Teil der Navico Gruppe, zu der die führenden Hersteller von wiederaufladbaren Lithiumbatterien gehören.

Das Wachstum des LFP-Marktes wird im asiatisch-pazifischen Raum und in Nordamerika erwartet. Nordamerika ist die führende Region, wobei die USA den Markt anführen. Der steigende Absatz von Elektrofahrzeugen in diesen Regionen wird den Markt für LFP-Batterien unterstützen. In Europa wird der Markt für LFP-Batterien wachsen, weil sich die Behörden verstärkt mit dem Thema Umwelt und erneuerbare Energien beschäftigen. Mehrere Länder haben sich das Ziel gesetzt, bis 2050 keine CO2-Emissionen mehr auszustoßen, was das Wachstum in der Region wahrscheinlich ankurbeln wird.

Mit dem rasanten Wachstum der chinesischen Wirtschaft hat sich die Nachfrage nach unterbrechungsfreier Stromversorgung dezentralisiert, und immer mehr Unternehmen und Industrien suchen nach hochwertigen Energiespeichersystemen. Energiespeichersysteme mit Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben viele Vorteile, darunter eine geringe Selbstentladung, eine lange Lebensdauer, eine sichere und umweltfreundliche Leistung und gute Anwendungsmöglichkeiten. Warum solltest du dich also für Lithium-Eisenphosphat entscheiden?

LFP Batterie

Auf Lithium-Ionen basierende Akku-Chemie

Die EFC (energy-for-cost) ist eine gängige Kennzahl für den Vergleich von Batterien. Die kumulative Entladeenergie (CDE) ist jedoch in der Praxis besser anwendbar und eignet sich möglicherweise besser, um das Ende der Lebensdauer einer Batterie zu ermitteln. Dieser Wert wird durch die Mittelung der einzelnen Entladeenergien berechnet und stellt den Kapazitätsabfall einer Zelle während ihrer Lebensdauer dar.

Das aus Siderit hergestellte LFP wird durch seine Morphologie charakterisiert, wie die REM-Bilder zeigen. Die Grafik zeigt, dass das Material eine homogene Verteilung der Elemente aufweist. Auch die EDX-Daten zeigen, dass die LFP eine gleichmäßige Verteilung der Elemente aufweist. Das macht es schwierig, Defekte zu erkennen, die sich negativ auf die Chemie der Batterie auswirken können.

Eine LIB besteht aus zwei Elektroden, der Anode und der Kathode, die während des Ladens und Entladens unterschiedliche Rollen spielen. Die Beziehung zwischen den Elektroden lässt sich am besten anhand der relativen Potenziale der beiden Materialien verstehen. Die positive Elektrode in einem LIB besteht normalerweise aus einem Lithium-Übergangsmetalloxid. Dieses Material ist der begrenzende Faktor für die Energiedichte der Zelle.

Die LFP-Chemie ist anderen Lithium-Ionen-Batteriechemien aufgrund ihrer höheren Energiedichte und längeren Lebensdauer überlegen. Unter optimalen Bedingungen kann die LFP-Chemie mehr als 3.000 Zyklen aushalten. Eine NMC-Batterie hingegen schafft zwischen 1.000 und 2.000 Zyklen. Es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede zwischen der LFP- und der anderen Lithium-Ionen-Chemie.

Polyanion-Verbindung in den Elektroden

In den letzten Jahren haben sich zwei neue Polyanionen-Materialien als vielversprechende Elektrodenmaterialien für wässrige Lithium-Ionen- und Zink-Ionen-Batterien herausgestellt. Allerdings weisen diese Polyanionenverbindungen eine geringe Kapazität und Leitfähigkeit auf. Dieser kurze Überblick fasst die jüngsten Fortschritte zusammen, zeigt neue Strategien auf und diskutiert die Herausforderungen, denen sich dieses Material stellen muss. Im Folgenden wird kurz erläutert, wie Polyanion-Elektrodenmaterialien für eine lfp-Batterie verwendet werden können.

Elektrodenmaterialien mit Polyanionen zeichnen sich durch einen starken induktiven Effekt aus. Die starken kovalenten Bindungen in Polyanionen erhöhen die Stabilität von O im Gitter erheblich, so dass sich diese Materialien für wiederaufladbare Sekundärbatterien eignen. Die polyanionischen Elektrodenmaterialien sind außerdem billiger und besser für Sekundärbatterien geeignet. Außerdem bieten sie eine bessere Zyklusleistung, so dass sie in einer Vielzahl von Batterieanwendungen eingesetzt werden können.

Eine weitere Polyanionverbindung, die große Aufmerksamkeit erregt, ist Li2Fe(C2O4)2, die auf Eisen basiert. Sie weist Dual-Redox-Eigenschaften auf und kann Eisen- und Oxalat-Redox-Reaktionen effektiv kombinieren. Die auf Lithium basierende polyanionische Verbindung weist eine geringe Toxizität auf und ist umweltverträglich. Weitere Forschung auf diesem Gebiet ist erforderlich, um eine neue polyanionische Verbindung zu entwickeln, die Lithium-Ionen-Batterien verbessern kann.

Die Hauptkante von LFOx verschiebt sich beim Aufladen auf ein höheres Energieniveau. Das deutet darauf hin, dass nur ein Bruchteil des Fe2+ zu Fe3+ oxidiert wurde. Dies wird durch die resultierenden Mossbauer-Spektren untermauert. Eine ähnliche Analyse wurde auch für den Entladungsprozess durchgeführt. Sobald das Fe3+ vollständig eingebunden ist, erreicht es einen vollständig oxidierten Zustand (+3) und gibt schließlich seine Energie ab, wodurch die Batterie eine Kapazität von 110 mAh g-1 erreicht.

LFP: Niedrige Energiedichte im Vergleich zu Lipo-Akkus

Wenn du dich zwischen Batterien mit hoher und niedriger Energiedichte entscheidest, solltest du ihre Energiedichte berücksichtigen. Batterien mit hoher Energiedichte sind nützlich für Anwendungen, bei denen der Platz knapp ist, du aber trotzdem eine hohe Leistung benötigst. Smartphones und andere Handheld-Geräte brauchen zum Beispiel Batterien mit hoher Energiedichte, um lange Strom zu liefern. Sie sind außerdem leichter als andere Batterien, was sie für den täglichen Gebrauch attraktiver macht. In der modernen Welt ist diese Eigenschaft absolut entscheidend.

Für die Herstellung dieser Batterien mit hoher Energiedichte werden verschiedene Technologien und chemische Verfahren verwendet. Einige Automodelle legen den Schwerpunkt auf eine hohe Reichweite, während andere auf niedrige Kosten, hohe Energiedichte und geringe Größe Wert legen. Während die Kosten auf Zellebene in den letzten zehn Jahren gesunken sind, liegen die Preise für Batterien mit hoher Energiedichte nach wie vor am oberen Ende des Marktes. Um diesem Trend entgegenzuwirken, haben die Batteriehersteller mit der Entwicklung von Batterien mit hoher Energiedichte auf der Basis von Nickel-Mangan-Kobalt und Aluminium begonnen.

NiMH- und NiCd-Batterien haben zwar ähnliche Kapazitäten, aber NiMH hat eine höhere Selbstentladung. NiMH-Batterien sollten bei 40 Prozent oder weniger gelagert werden, um die Bildung von Kristallen zu vermeiden. Außerdem sind diese Batterien teurer als NiCd-Batterien. Und obwohl sie mehr Ladung speichern können, wird ihre hohe Energiedichte durch ihre relativ niedrige Zyklusdauer ausgeglichen. Diese Nachteile können jedoch durch die höheren Kosten ausgeglichen werden.

Langer Lebenszyklus und lange Lebensdauer

Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien hat die LFP-Batterie eine längere Lebensdauer als die meisten anderen. Die beiden Arten von Lithium-Ionen-Batterien sind außerdem sicherer als ihre Blei-Säure-Pendants. NMC-Batterien haben jedoch einen niedrigeren Flammpunkt und können bei hohen Ladegeschwindigkeiten eine Brandgefahr darstellen. Diese beiden Batterietypen sind für viele industrielle Anwendungen keine brauchbare Alternative.

LFP-Batterien haben einen längeren Lebenszyklus als NMC-Batterien, so eine im September 2020 veröffentlichte Studie. Diese Erkenntnis widerspricht der allgemeinen Auffassung, dass NMC-Zellen haltbarer sind und eine längere Lebensdauer haben. Die Studie ergab zwar, dass LFP-Batterien eine längere Lebensdauer haben, aber die Autoren warnen, dass die Daten für reale kommerzielle Zellen aufgrund kleinerer Änderungen in den Herstellungsprozessen leicht abweichen können. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Lebenszyklen beider Batterietypen zu vergleichen.

Der durchschnittliche Ladezustand (SoC) und die Entladetiefe (DDC) von Blei-Säure-Batterien bestimmen die Zyklenlebensdauer. Eine Batterie mit einem SoC von 75-65% würde zum Beispiel neunzigtausend Energieeinheiten liefern und etwa 60% der Batterie nutzen. Die tatsächliche Anzahl der Zyklen kann jedoch erheblich abweichen, daher ist es wichtig, dass du deinen Batteriekauf entsprechend anpasst. Außerdem können extreme Temperaturen (über 80 Grad Celsius) zur Batteriealterung beitragen. Höhere Temperaturen fördern zwar die Reaktionseffizienz, aber sie verstärken auch die Alterungsreaktionen.
Kosten

Im Vergleich zu AGM-Batterien bieten LFP-Batterien eine höhere Energiedichte und tiefere Entladestufen. Außerdem wiegen sie weniger und nehmen weniger Platz ein. Sie liefern über ihren gesamten SoC mehr nutzbare Energie. Eine typische LFP-Batterie kann sicher bis zu einer Entladetiefe von 20% oder 10% entladen werden. Weitere Informationen über LFP-Batterien findest du in unserem LFP-Batterie-Leitfaden. Die Kosten für eine LFP-Batterie sind nicht unerheblich. Die höheren Kosten sind es aber wert, wenn man sie mit den Vorteilen vergleicht, die sie dir bei deinen Outdoor-Aktivitäten bringen.

Die Lithiumpreise sind im letzten Jahr gestiegen und liegen immer noch unter dem zu erwartenden Rabatt gegenüber NCM. Allerdings haben die Leistungsfaktoren die Entscheidungsfindung erschwert. Während NMC derzeit von den Autoherstellern bevorzugt wird, gehen einige Branchenkenner davon aus, dass es seinen Wettbewerbsvorteil verliert, sobald es sich im Mainstream durchsetzt. Das gilt vor allem, wenn du kostengünstige LFP-Batterien bauen willst. Aber trotz dieser Nachteile ist lithiumfreies Polymer eine der vielversprechendsten Optionen für die nahe Zukunft.

Trotz der niedrigeren Kosten von LFP-Batterien haben sie das Potenzial, bis 2030 den Markt für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge in den USA zu dominieren. Außerdem eignen sie sich gut für den Antrieb mittlerer Nutzfahrzeuge, die ideal für den Transport von Gütern und Personen in der Stadt sind. Infolgedessen werden wahrscheinlich verschiedene chemische Systeme um Marktanteile konkurrieren. In der Zwischenzeit müssen die Verbraucher/innen die Vorteile von LFP gegenüber anderen Batterietechnologien abwägen.