LiFePO4-Batterie

Tesla kündigte in seinen Berichten für das dritte Quartal 2021 den Übergang zu LiFePO4-Batterien als neuen Standard in seinen Fahrzeugen an. Doch was genau sind LiFePO4-Batterien?

NEW YORK, NEW YORK, USA, 26. Mai 2022 /EINPresswire.com / — Sind sie eine bessere Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus? Worin unterscheiden sich diese Akkus von anderen Akkus?

Einführung in LiFePO4-Batterien

Eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP-Batterie) ist eine Lithium-Ionen-Batterie mit schnelleren Lade- und Entladeraten. Es handelt sich um eine wiederaufladbare Batterie mit LiFePO4 als Kathode und einer Graphitkohlenstoffelektrode mit metallischer Rückseite als Anode.

LiFePO4-Akkus weisen eine geringere Energiedichte und niedrigere Betriebsspannungen als Lithium-Ionen-Akkus auf. Sie zeichnen sich durch eine geringe Selbstentladung mit horizontalen Kurven aus und sind sicherer als Lithium-Ionen-Akkus. Diese Akkus werden auch als Lithium-Eisenphosphat-Akkus bezeichnet.

Die Erfindung der LiFePO4-Batterien

LiFePO4-Batterien wurden von John B. Goodenough und Arumugam Manthiram erfunden. Sie gehörten zu den Ersten, die die in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien bestimmten. Anodenmaterialien sind aufgrund ihrer Neigung zu sofortigen Kurzschlüssen nicht optimal für Lithium-Ionen-Batterien.

Wissenschaftler stellten fest, dass die Kathodenmaterialien im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batteriekathoden überlegen sind. Dies zeigt sich besonders deutlich bei den LiFePO4-Batterievarianten. Sie verbessern die Stabilität und Leitfähigkeit und optimieren eine Reihe weiterer Eigenschaften.

Heutzutage sind LiFePO4-Batterien allgegenwärtig und finden vielfältige Anwendung, beispielsweise in Booten, Solaranlagen und Fahrzeugen. Sie sind kobaltfrei und kostengünstiger als die meisten Alternativen. Zudem sind sie ungiftig und haben eine lange Lagerfähigkeit.

LFP-Batteriespezifikationen -

Die Funktion von Batteriemanagementsystemen in LFP-Batterien

LFP-Batterien bestehen aus mehr als nur miteinander verbundenen Zellen; sie verfügen über ein System, das den Betrieb der Batterie innerhalb sicherer Grenzen gewährleistet. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) schützt, steuert und überwacht die Batterie unter Betriebsbedingungen, um die Sicherheit zu gewährleisten und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Die Funktion von Batteriemanagementsystemen in LFP-Batterien -

Obwohl Lithium-Eisenphosphat-Zellen toleranter sind, neigen sie dennoch beim Laden zu Überspannungen, was die Leistung mindert. Das Kathodenmaterial kann sich dadurch potenziell zersetzen und seine Stabilität verlieren. Das Batteriemanagementsystem (BMS) regelt die Leistung jeder einzelnen Zelle und stellt sicher, dass die maximale Batteriespannung aufrechterhalten wird.

Mit zunehmender Alterung der Elektrodenmaterialien wird Unterspannung zu einem ernsten Problem. Fällt die Spannung einer Zelle unter einen festgelegten Schwellenwert, trennt das Batteriemanagementsystem (BMS) die Batterie vom Stromkreis. Es dient außerdem als Schutzmechanismus bei Überstrom und schaltet sich bei Kurzschluss ab.

LiFePO4-Batterien im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien

LiFePO4-Akkus sind für tragbare Geräte wie Smartwatches ungeeignet, da ihre Energiedichte geringer ist als die anderer Lithium-Akkus. Sie eignen sich jedoch optimal für Solaranlagen, Wohnmobile, Golfwagen, Bassboote und Elektromotorräder.

★Einer der Hauptvorteile dieser Batterien ist ihre lange Lebensdauer.

Diese Batterien halten mehr als viermal länger als andere. Sie sind sicherer und können bis zu 100 % entladen werden, wodurch sie über einen längeren Zeitraum genutzt werden können.

Nachfolgend sind weitere Gründe aufgeführt, warum diese Batterien eine bessere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien darstellen.

★Günstig

LFP-Batterien bestehen aus Eisen und Phosphor, die in großem Umfang abgebaut werden, und sind kostengünstig. Die Kosten für LFP-Batterien liegen schätzungsweise bis zu 70 Prozent niedriger pro Kilogramm als für nickelreiche NMC-Batterien. Ihre chemische Zusammensetzung bietet einen Kostenvorteil. Die niedrigsten gemeldeten Zellpreise für LFP-Batterien fielen 2020 erstmals unter 100 US-Dollar/kWh.

★Geringe Umweltbelastung
LFP-Batterien enthalten weder Nickel noch Kobalt, die teuer sind und eine erhebliche Umweltbelastung darstellen. Da diese Batterien wiederaufladbar sind, sind sie besonders umweltfreundlich.

★Verbesserte Effizienz und Leistung
LFP-Akkus sind für ihre lange Lebensdauer bekannt und daher eine beliebte Wahl für Anwendungen, die eine zuverlässige und konstante Stromversorgung über einen längeren Zeitraum erfordern. Im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Akkus weisen diese Akkus einen geringeren Kapazitätsverlust auf, was zu ihrer langfristigen Leistungsfähigkeit beiträgt. Darüber hinaus verfügen sie über eine niedrigere Betriebsspannung, was zu einem geringeren Innenwiderstand und schnelleren Lade-/Entladezeiten führt.

★Verbesserte Sicherheit und Stabilität
LFP-Batterien sind thermisch und chemisch stabil und daher weniger explosions- oder brandgefährdet. LFP erzeugt nur ein Sechstel der Wärme von nickelreichem NMC. Da die Co-O-Bindung in LFP-Batterien stärker ist, werden Sauerstoffatome bei Kurzschluss oder Überhitzung langsamer freigesetzt. Zudem ist in vollständig geladenen Zellen kein Lithium mehr vorhanden, wodurch sie im Vergleich zu den exothermen Reaktionen anderer Lithiumzellen sehr resistent gegen Sauerstoffverlust sind.

★Klein und leicht
LFP-Batterien sind fast 50 % leichter als Lithium-Mangan-Batterien und bis zu 70 % leichter als Bleiakkumulatoren. Der Einsatz einer LiFePO4-Batterie im Fahrzeug reduziert den Kraftstoffverbrauch und verbessert die Manövrierfähigkeit. Dank ihrer geringen Größe und Kompaktheit sparen sie Platz auf Rollern, Booten, Wohnmobilen oder in industriellen Anwendungen.

LiFePO4-Batterien vs. Nicht-Lithium-Batterien
Nicht-Lithium-Batterien haben zwar einige Vorteile, werden aber angesichts des Potenzials der neuen LiFePo4-Batterien mittelfristig wahrscheinlich ersetzt, da die ältere Technologie teuer und weniger effizient ist.

☆Blei-Säure-Batterien
Bleiakkumulatoren mögen auf den ersten Blick kostengünstig erscheinen, sind aber langfristig teurer. Das liegt daran, dass sie häufiger gewartet und ausgetauscht werden müssen. Ein Lithium-Eisenphosphat-Akku (LiFePO4) hält hingegen zwei- bis viermal länger und benötigt keine Wartung.

☆Gelbatterien
Gel-Akkus, ähnlich wie LiFePO4-Akkus, müssen nicht häufig aufgeladen werden und verlieren beim Lagern keine Ladung. Allerdings laden Gel-Akkus langsamer. Sie müssen nach vollständiger Aufladung sofort vom Stromnetz getrennt werden, um Beschädigungen zu vermeiden.

☆AGM-Batterien
Während AGM-Batterien bei einer Kapazität unter 50 % ein hohes Beschädigungsrisiko aufweisen, können LiFePO4-Batterien ohne Beschädigungsrisiko vollständig entladen werden. Außerdem ist es schwierig, sie aufgeladen zu halten.

Anwendungsgebiete für LiFePO4-Batterien
LiFePO4-Batterien haben viele wertvolle Anwendungsgebiete, darunter

● Angelboote und Kajaks: Dank kürzerer Ladezeiten und längerer Laufzeit können Sie mehr Zeit auf dem Wasser verbringen. Das geringere Gewicht sorgt für einfacheres Handling und einen Geschwindigkeitsvorteil bei wichtigen Angelwettbewerben.

● Elektromobile und Mopeds: Kein unnötiges Gewicht, das Sie ausbremst. Laden Sie den Akku für spontane Ausflüge nur teilweise auf, ohne ihn zu beschädigen.

●Solarkonfigurationen: Nehmen Sie leichte LiFePO4-Batterien überallhin mit (selbst auf einen Berg oder abseits des Stromnetzes), um die Energie der Sonne zu nutzen.

●Gewerbliche Nutzung: Dies sind die sichersten und robustesten Lithiumbatterien, wodurch sie sich ideal für industrielle Anwendungen wie Bodenreinigungsmaschinen, Ladebordwände und mehr eignen.

Darüber hinaus werden Lithium-Eisenphosphat-Batterien für viele andere Geräte wie Taschenlampen, elektronische Zigaretten, Radiogeräte, Notbeleuchtungen und andere Artikel verwendet.

Möglichkeiten für die großflächige Umsetzung von LFP
Obwohl LFP-Batterien günstiger und stabiler als Alternativen sind, stellt ihre geringe Energiedichte ein erhebliches Hindernis für eine breite Anwendung dar. LFP-Batterien weisen eine deutlich niedrigere Energiedichte zwischen 15 und 25 % auf. Dies ändert sich jedoch durch den Einsatz dickerer Elektroden, wie sie beispielsweise im in Shanghai gefertigten Model 3 verwendet werden, welches eine Energiedichte von 359 Wh/Liter erreicht.

Aufgrund ihrer langen Lebensdauer weisen LFP-Batterien eine höhere Kapazität als Lithium-Ionen-Batterien vergleichbaren Gewichts auf. Dies bedeutet, dass sich die Energiedichte dieser Batterien im Laufe der Zeit angleicht.

Ein weiteres Hindernis für die breite Einführung besteht darin, dass China den Markt aufgrund der Vielzahl an LFP-Patenten dominiert. Mit dem Auslaufen dieser Patente wird spekuliert, dass die LFP-Produktion, ähnlich wie die Fahrzeugherstellung, lokalisiert wird.

Große Automobilhersteller wie Ford, Volkswagen und Tesla setzen zunehmend auf diese Technologie und ersetzen damit Nickel- oder Kobalt-Batterien. Teslas jüngste Ankündigung im Rahmen seines Quartalsberichts ist erst der Anfang. Tesla gab außerdem ein kurzes Update zu seinem 4680-Akkupack, der eine höhere Energiedichte und Reichweite bieten soll. Es ist auch möglich, dass Tesla die „Cell-to-Pack“-Technologie einsetzt, um mehr Zellen unterzubringen und so eine geringere Energiedichte zu ermöglichen.

Trotz seines AltersLFPDie Senkung der Batteriekosten könnte entscheidend für die beschleunigte Masseneinführung von Elektrofahrzeugen sein. Bis 2023 werden die Preise für Lithium-Ionen-Akkus voraussichtlich bei etwa 100 US-Dollar/kWh liegen. Niedrige Batteriepreise könnten es Automobilherstellern ermöglichen, Faktoren wie Komfort oder Ladezeit anstelle des reinen Preises in den Vordergrund zu stellen.