LFP Akkus » Moderne Stromspeicher mit Lithium-Eisenphosphat
Veröffentlicht: 10.10.2023 | Lesedauer: 4 Minuten
Lithium-Ionen-Akkus oder auch Batterien, wie sie neuzeitlich nun auch genannt werden, sind für viele mobile und stationäre Anwendungen ideal geeignet. Denn sie besitzen eine enorme Energiedichte, die trotz hoher Speicherkapazität eine sehr kompakte Bauform ermöglicht. Unsere superschlanken Smartphones sind der beste Beweis dafür.
Aber auch die Automobilindustrie setzt bei der Elektromobilität verstärkt auf leistungsstarke Lithium-Akkus in den unterschiedlichsten Ausführungen, wie beispielsweise NMC-Zellen oder NCA-Zellen.
Leider gibt es zu den vielen tollen Vorteilen auch einige Nachteile, die wir nicht verschweigen wollen. Im Fall der Lithium-Akkus sind das teure Rohstoffe wie beispielsweise Nickel, Mangan oder Cobalt, die zum Teil unter recht bedenklichen Umständen abgebaut und gehandelt werden.
Ein weiterer kritischer Punkt ist die thermische Instabilität, die schon manchen Akkubrand ausgelöst hat. Um die Probleme in den Griff zu bekommen, wurden Akkus mit Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) entwickelt, die wir Ihnen hier gerne etwas näher vorstellen möchten.
Der Lithium-Eisenphosphat-Akku wird auch als LEP oder LFP bezeichnet, wobei LFP für Lithium Ferro Phosphat (LiFePO4) steht. Demzufolge zählen die LFP-Akkus ebenfalls zur großen Familie der Lithium-Akkus.
Die positive Elektrode der Batterie besteht aus Lithium-Eisenphosphat und enthält weder Nickel oder Chrom noch Mangan. Die negative Elektrode der Batterie besteht, ebenso wie bei den anderen Lithium-Akkus, aus Graphit.
Lithium-Eisenphosphat-Akkus gibt es in zylindrischer Bauform meist als 14500er, 18650er oder 26650er Zellen. Aber auch flache und in Aluminiumfolie verschweißte Pouchzellen oder prismatische Zellen mit festem Gehäuse (siehe Titelbild) werden von den Herstellern angeboten.
Obwohl die Technologie der Lithium-Eisenphosphat-Zellen bereits Ende der 1990er Jahre entwickelt wurde, blieb der große Durchbruch dieser Technologie bis heute leider aus.
Durch den signifikanten Preisanstieg bei Nickel, Cobalt und Mangan werden LFP-Akkus für die Industrie immer attraktiver. Zumal die technische Weiterentwicklung der LFP-Technologie den Akkus zu immer mehr Kapazität verhilft.
Im Grunde funktionieren LiFePO4-Akkus nach dem gleichen Prinzip wie alle aufladbaren Lithium-Ionen-Zellen.
Ladevorgang
Durch die externe Ladespannung werden negativ geladene Elektronen vom Pluspol des Akkus abgezogen. Als Folge davon wandern positiv geladene Lithium-Ionen intern von der positiven Elektrode durch den Elektrolyt und den Separator zur negativen Elektrode. Dort nehmen die Li-Ionen die vom Ladegerät zur Verfügung gestellten Elektronen auf und lagern sich im Graphit der negativen Elektrode ein.
Entladevorgang
Zum Entladen wird einfach ein Verbraucher mit den beiden Anschlüssen des Akkus verbunden. Das Lithium an der negativen Elektrode gibt sein Elektron wieder ab und wandert intern als positiv geladenes Ion zurück zur positiven Elektrode. Dort ermöglichen die Elektronen, die über den Stromkreis kommen, dass die positiv geladenen Lithium-Ionen wieder in die positive Elektrode eingefügt werden.
Eine genauere Beschreibung der Abläufe beim Laden und Entladen von Lithium-Akkus können Sie unserem Ratgeber zur Li-Ion-Technologie entnehmen.
Für die korrekte Einhaltung der Lade- und Entlade-Parameter sorgen clevere Batterie-Management-Systeme (BMS), die entweder im jeweiligen Gerät oder sogar direkt im Akku verbaut sind.
Wie bereits angesprochen, wird bei LFP-Zellen auf teure Komponenten wie Nickel, Mangan und Cobalt verzichtet. Das macht sich vorrangig im Preis positiv bemerkbar. Doch nicht nur das. Da diese Rohstoffe zum Teil unter höchst bedenklichen ökologischen und humanitären Umständen abgebaut werden, ist ein Verzicht auch aus ethischen Gründen durchaus lobenswert. Allerdings erreichen LFP-Zellen auch nicht die hohen Energiedichten von NMC-/NCA-Akkus. Eine exakte Übersicht der Vor- und Nachteile haben wir nachfolgend aufgelistet:
Vorteile von LFP:
· Verzicht auf Nickel, Mangan und Cobalt
· Preiswerte Herstellung
· Hohe thermische Sicherheit
· Hohe Lade- und Entladeströme
· Hohe Zyklenfestigkeit
· Lange Lebensdauer
· Flache Entladekurve
· Breiter Temperaturbereich
· Leichtes Recycling
Nachteile von LFP:
· Geringe Energiedichte bzw. spezifische Kapazität
· Intelligentes BMS erforderlich*
*Manchmal kann in der Lithium-Technologie ein Vorteil auch ein Nachteil sein. Die flache Entladekurve sorgt einerseits für eine lange Leistungsabgabe in gleichbleibender Höhe, andererseits kann der aktuelle Ladezustand (SoC = State of Charge) vom Batterie Management System (BMS) nicht durch eine einfache Spannungsmessung erfasst werden. Diesbezüglich ist ein deutlich höherer Aufwand für ein effizientes BMS erforderlich.
Die geringe Energiedichte war bis dato das k.o.-Kriterium für diese Akku-Technologie. Zumindest für Anwendungen im mobilen Bereich. Bei ortsgebundenen Anwendungen wie beispielsweise als stationärer Energiespeicher für Solaranlagen (BESS) ist es aber durchaus sinnvoll, auf LFP-Akkus zu setzen. Denn die geringe Energiedichte und die somit reduzierte Speicherkapazität können leicht durch zusätzliche Akkus kompensiert werden. Gewicht und Platzbedarf spielen bei diesen Anwendungen meist eine untergeordnete Rolle.
Der Haupteinsatzbereich von LFP-Batterien bzw. Akkus war bis dato meist dort zu finden, wo Sicherheit und Langlebigkeit eine große Rolle spielen. Gleichzeitig durfte der erhöhte Platzbedarf für zusätzliche Zellen zur Kapazitätssteigerung kein Hindernis darstellen. Somit waren Lithium-Eisenphosphat-Zellen u.a. als stationäre Energiespeicher, in der Industrie, im Bauwesen, in der Schifffahrt sowie in den unterschiedlichsten Spezialfahrzeugen zu finden. Aufgrund der Bauform werden LFP-Akkus aber auch gerne verwendet, um Blei-Säure-Batterien oder Blei-Gel-Akkus zu ersetzen.
Durch die technische Weiterentwicklung der Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien wird auch die nutzbare Kapazität der Lithium-Batterien kontinuierlich erhöht.
Die hohe Sicherheit in Bezug auf thermisches Durchgehen (Selbstentzündung), die enorme Zyklenfestigkeit und die hohen Ladeströme machen diese Akkutechnologie für Hersteller von Elektroautos immer interessanter.
Der Autohersteller Tesla setzt neben NMC- und NCA-Akkus nun im Modell 3 und im Modell Y (in der Basisversion) verbesserte LFP-Akkus ein.
Vielleicht erfolgt mit der E-Mobilität bzw. durch den Einsatz der LFP-Technologie in Elektroautos nun doch noch der große Durchbruch.
