Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator ist eine Ausführung eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit einer Zellspannung von 3,2 V bzw. 3,3 V. Als Material der positiven Elektrode wird Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) anstelle von herkömmlichem Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2) verwendet. Die negative Elektrode besteht aus Graphit oder hartem Kohlenstoff mit eingelagertem Lithium. Akkumulatoren mit Elektrodenmaterialien aus Lithiumeisenphosphat weisen gegenüber den weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkumulator mit Lithium-Cobaltelektrode eine geringere Energiedichte auf, neigen dafür aber auch bei mechanischen Beschädigungen nicht zu thermischem Durchgehen.[1]
LiFePO4 wurde erstmals 1997 als Material für Lithium-Ionen-Akkus vorgeschlagen. Es ersetzt das bei herkömmlichen Lithium-Akkus eingesetzte Lithium-Cobalt.
Von Süd-Chemie (heute Johnson Matthey) wurde ab 2010 in Kanada die weltweit größte Produktionsanlage (2500 t pro Jahr) zur Herstellung von Lithium-Eisen-Phosphat nach einem nasschemischen Verfahren errichtet.[2] Der Produktionsstart fand im April 2012 statt.[3]
Frühe LiFePO4-Kathoden litten unter geringer elektrischer Leitfähigkeit für Ionen und Elektronen, welche die Leistungsdichte hemmten. Die Leitfähigkeit konnte durch den Einsatz von LiFePO4-Nanoteilchen und die Beschichtung mit Kohlenstoff verbessert werden. Die Dotierung des LiFePO4 beispielsweise mit Yttrium- (LiFeYPO4) oder Schwefelatomen verbessert die technischen Eigenschaften ebenfalls.[4]
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen mit Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2) wird bei der chemischen Reaktion kein Sauerstoff freigesetzt. Dieser kann bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren Lithium-Cobalt zum thermischen Durchgehen führen, was unter ungünstigen Bedingungen zum selbstständigen Entflammen der Zelle führt.
Im Vergleich zu den konventionellen Kathodenmaterialien (LiCoO2) wird im Lithium-Eisenphosphat-Akku der gesamte Lithiumanteil genutzt. Bei Akkus mit LiCoO2-Kathode wird nur 50–60 % des Lithiums verwendet, da sonst die Schichtstruktur instabil würde. Bei Verwendung von Li2Mn2O4-Kathoden kann nur 50 % des vorhandenen Lithiums genutzt werden, der Rest ist fest im Kristall eingebaut.
Der Masseanteil an Lithium in LiFePO4 beträgt ca. 4,5 % Gewichtsprozent. Für einen Akkumulator mit einem Energieinhalt von 1000 Wh werden beim Lithium-Eisen-Phosphat-Akku nur ca. 11,3 mol (≈ 80 g) Lithium benötigt, gegenüber ca. 20 mol bzw. 140 g beim Lithium-Cobalt- oder Lithium-Mangan-Akkumulator. Die Energiedichte von Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren liegt bei 90 Wh/kg bis 110 Wh/kg. Bei Lithiumakkumulatoren mit LiCoO2-Kathode ist fast eine doppelt so hohe Energiedichte erzielbar.
LiFePO4-Akkumulatoren kennen keinen Memory-Effekt wie beispielsweise der Nickel-Cadmium-Akkumulator. Eine so bezeichnete Anomalie während der Entladung ist sehr klein und im normalen Betrieb unbedeutend. LiFePO4-Zellen können jederzeit zwischengelagert, entladen und geladen werden. Nur im vollständig geladenen und nahezu entladenen Zustand sind längere Lagerzeiten der Lebenserwartung abträglich.
Die genauen Spannungen differieren leicht zwischen den Zelltypen und Herstellern, im Anwendungsfall sind sie dem jeweiligen Datenblatt zu entnehmen. Die Ladeschlussspannung liegt in der Regel bei 3,6–3,65 V.[5] Die Schutzschaltungen gegen Überladung sprechen meist bei 3,8 V an.[6]
Die Entladeschlussspannungen sind je nach Typ verschieden und liegen meist bei 2,0 V,[5] bei manchen Typen auch knapp darüber im Bereich um 2,5 V.[7] Im Bereich der Ladung von 10 % bis 90 % zeigen die Zellen sowohl bei Aufladung als auch bei Entladung nur eine geringe Veränderung der Zellspannung, wie im nebenstehenden Diagramm mit der Zellspannung als Funktion der Ladung für eine LiFePO4-Zelle mit einer Nennkapazität von 2,3 Ah dargestellt. Im Bereich des Entladeschlusses, im Diagramm das Ende im Verlauf der roten Linie im rechten Bildbereich, und im Bereich des Ladeschlusses, im Diagramm das Ende im Verlauf der grünen Linie im rechten Bildbereich, ist eine starke Spannungsreduktion (bei Entladung) bzw. ein starker Spannungsanstieg (bei Aufladung) vorhanden. Leicht reduzierte Ladeschlussspannungen (3,4–3,5 V) und verringerte Entladetiefen wirken sich positiv auf die nutzbare Zyklenanzahl und damit die Lebensdauer aus.
Es gibt nur wenige genormte Bauformen. Grundsätzlich lassen sich Rundzellen und Flachzellen unterscheiden.
Im Verlauf der Entladespannung-Kurve von LiFePO4-Akkumulatoren können kleine Buckel nachgewiesen werden. Diese Anomalie wurde von den Entdeckern als „Memory-Effekt“ bezeichnet. Der Effekt ist durch den Phasenübergang einzelner Partikel des Aktivmaterials bedingt und tritt nach bisherigen Erkenntnissen ausschließlich bei LiFePO4-Kathoden und ähnlichen Olivinkathoden auf. Dieser sogenannte „Memory-Effekt“ ist nicht mit dem allgemein bekannten Memory-Effekt bei NiCd- und NiMH-Akkumulatoren vergleichbar. Er tritt ab der ersten Entladung auf, ist zeitlich begrenzt und durch Aufladen des Akkus umkehrbar. Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Akkumulators werden durch die Anomalie nicht direkt beeinträchtigt, allerdings kann der Effekt dazu führen, dass die Ladestandsanzeige verfälscht wird. Durch die Erforschung des LiFePO4-„Memory-Effekts“ kann die bisher schwierige Ermittlung des Ladezustands bei LiFePO4-Akkumulatoren künftig verbessert werden.[8][9]
LiFePO4-Akkumulatoren besitzen in Bezug auf Zyklenfestigkeit, Baugröße, Kapazität und Gewicht deutliche Vorteile gegenüber verbreiteten Bleiakkumulatoren, der Nachteil ist der höhere Preis von LiFePO4-Akkumulatoren im Vergleich zu elektrisch gleichwertigen Lösungen mit Bleiakkumulatoren. Hinzu kommen die bei LiFePO4-Akkumulatoren nötigen Balancer welche bei Bleiakkumulatoren nicht nötig sind.
Die Nennspannung zweizelliger LiFePO4-Akkus liegt in gleicher Größenordnung wie die von 6-V-Bleiakkumulatoren. Gleiches gilt für Vielfache z.B. 12 V, 24 V, 48 V, etc. LiFePO4-Akkus sind gut zum Austausch herkömmlicher Bleiakkumulatoren geeignet.[17] Oft lässt sich dabei trotz höherer Kapazität und Belastbarkeit Bauraum und Gewicht sparen, dem stehen die höhere Kosten von LiFePO4-Akkus in Relation zu Blei-Akkus entgegen. Schutz- und Steuerelektronik sind bei Bleiakkus selten vorhanden da diese in weitem Bereich überladefest sind.
Allerdings wird der Ersatz anderer Lithium-Ionen-Akkutechnologien bzw. die Umstellung dieser auf LiFePO4-Akkus durch die abweichende typische Zellenspannung von 3,2–3,3 V eher erschwert (3,6 V beim Lithium-Ionen-Akku auf Cobalt-Basis, 3,7 V beim Lithium-Polymer-Akku). Bereits vorhandene Batteriemanangementsysteme, Balancer und Ladegeräte für die Anwendung bei Lithium-Ionen-Akkus auf Cobalt-Basis lassen sich nur selten auf LiFePO4-Akku umkonfigurieren.
Die im Jahr 2012 in Insolvenz gegangene A123Systems bot Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren als Rundzellen unter dem Namen Lithium-Nanophosphat-Akku an. A123Systems beteiligte sich an der Entwicklung des seriellen Plug-in-Hybrid-Sportwagen Fisker Karma von Fisker Automotive.
GAIA Akkumulatorenwerke GmbH im thüringischen Nordhausen fertigt zylinderförmige Zellen mit 18 Ah[18] und 38 Ah[19] in LFP-(Eisen-Phosphat)-Technologie, die zu Starterbatterien oder kundenspezifischen Traktionsbatterien konfektioniert werden.[20]
Die Firma Winston Battery Ltd (ehem. Thunder Sky Ltd) aus China[21] fertigt eine große Auswahl an prismatischen Akkuzellen auf der Basis von LiFePO4, vor allem mit Yttrium-Dotierung (LiFeYPO4) zur Erhöhung der Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit.
Das chinesische Unternehmen BYD gilt als weltgrößter Hersteller von Lithium-Akkumulatoren mit einer Produktionskapazität von über 10 GWh pro Jahr. Die Tochtergesellschaft BYD Auto verbaut die Zellen in eigenen Elektrofahrzeugen sowie in stationären Stromspeichersystemen. Der BYD ebus gilt als weltweit erster Batteriebus mit Lithium-Eisenphosphat-Akkus.
Das süddeutsche Unternehmen sonnen ist, laut EuPD Research, mit einem Marktanteil von ca. 24 % das führende Unternehmen auf dem deutschen und europäischen Heimspeichermarkt, welches ausschließlich Lithium-Eisenphosphat Zellen verwendet.[22][23][24]
Die Varta AG mit der Varta Storage GmbH ist ein führendes europäisches Unternehmen, dass Energiespeichersysteme für den privaten Haushalt und für die Industrie anbietet.[25][26]
Die größten Zellblöcke bis 30.000 Ah werden in U-Booten verwendet, in unterbrechungsfreien Stromversorgungen[27] und bei der Speicherung regenerativer Energie. Aufgrund der hohen Zuverlässigkeit hat der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator bei neuen stationären Speichern zur Netzstabilisierung eine herausragende Stellung: gemessen an der Leistung in MW aller 2014 geplanten Li-Ionen-Speicherkraftwerke basierten 39 % davon auf Lithiumeisenphosphat.[28] 40 MWh werden in einem Batteriespeicherkraftwerk in Hongkong eingesetzt.
Weitere Anwendungsfelder sind Elektrowerkzeuge und der 100-Dollar-Laptop. Auch im RC-Modellbau werden LiFePO4-Akkus eingesetzt, da sie innerhalb von 15–20 Minuten wieder vollständig aufgeladen werden können und eine höhere Zyklenfestigkeit besitzen. Gewöhnliche Lithium-Polymer-Akkus benötigen oft über eine Stunde Ladezeit, wenn man keine Einbußen bei der Lebensdauer in Kauf nehmen möchte.
Weitere Anwendungen sind Starterakkus bei Verbrennungsmotoren wo prismatische Lithium-Eisenphosphat-Blöcke oder konfektionierte Rundzellen eingesetzt werden.[20] Porsche bietet als erster Automobilhersteller gegen Aufpreis ab Werk eine LiFePO4-Starterbatterie an.[29]
Je nach Anwendung werden die Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren auf hohe Energiedichte zu Speicherung großer Energiemengen, bspw. als Traktionsbatterie für rein elektrische Fahrzeuge oder auf die Abgabe hoher Ströme, bspw. für Pufferbatterien in hybridelektrischen Fahrzeugen oder als Starterbatterien optimiert. Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren besitzen bei entsprechender Auslegung und Betriebsweise die Voraussetzung, ein ganzes Fahrzeugleben ohne Austausch zu funktionieren. Um die Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer zu erhöhen, lassen sich verschiedene Faktoren gezielt beeinflussen:
“Capacity fade after 600 cycles is 14.3 % at 45 °C and 25.8 % at −10 °C. The discharge pulse power capability (PPC discharge) at 45 °C does not decrease with cycling (namely,there is little power fade) from 0 to 600 cycles, whereas the power fade after 600 cyclesis 61.6 % and 77.2 %, respectively, at 0 and −10 °C. The capacity and power fade evidently becomes more severe at lower temperature due to greatly increasing cell resistance. In particular, the power fade at low temperatures (e.g., 0 and −10 °C) rather than capacity loss is a major limitation of the LiFePO4 cell.”
„Die Kapazitätsabnahme nach 600 Zyklen beträgt 14,3 % bei 45 °C und 25,8 % bei −10 °C. Es gibt nur eine geringe Abnahme der Strombelastbarkeit bei 45 °C nach 600 Zyklen, während die Leistungsabnahme nach 600 Zyklen 61,6 % und 77,2 % bei 0 und −10 °C beträgt. Kapazität und Strombelastbarkeit lassen bei niedrigen Temperaturen stärker nach. Insbesondere die Abnahme der Strombelastbarkeit bei tiefen Temperaturen (z.B. 0 und −10 °C) ist eine größere Einschränkung der LiFePO4 Zelle.“
Eine Studie aus dem Jahr 2012 zu hochstromfesten A123-Zellen in Hybrid-Anwendung führt dazu aus:
“The longest lifetime is observed for cells cycled with low peak currents and a narrow SOC range. In addition, high charge current is found to affect the cycle life profoundly. On the contrary, a moderate temperature increase did not result in a shorter cycle life.”
„Die längste Lebensdauer erreicht man für Zellen, die mit niedrigen Stromspitzen und in einem schmalen Bereich des SOC genutzt werden. Darüber hinaus beeinträchtigen hohe Ladeströme die Lebensdauer sehr stark. Im Gegensatz dazu hat eine mäßige Temperaturerhöhung nicht zu einer kürzeren Lebensdauer geführt.“[30]
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