LiFePO4 wurde erstmals 1997 als Material für einen Lithium-Ionen-Akku vorgeschlagen.[4] Es ersetzt das beim herkömmlichen Lithium-Akku eingesetzte Lithium-Cobalt(III)-oxid. Frühe LiFePO4-Elektroden 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.[5]
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 mit Lithium-Cobaltoxid-Elektroden zum thermischen Durchgehen führen, was unter ungünstigen Bedingungen zum selbstständigen Entflammen der Zelle führt und nicht vom Sauerstoffgehalt der Umgebung abhängig ist.
Im Vergleich zu den konventionellen Elektrodenmaterialien wie LiCoO2 wird im Lithium-Eisenphosphat-Akku der gesamte Lithiumanteil genutzt. Bei Akkus mit LiCoO2-Elektrode wird nur 50–60 % des Lithiums verwendet, da sonst die Schichtstruktur instabil würde. Bei Verwendung von Li2Mn2O4-Elektroden kann nur 50 % des vorhandenen Lithiums genutzt werden, der Rest ist fest im Kristall eingebaut.
Der Masseanteil von 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 erreicht 210 Wh/kg. 2015 lag sie noch bei etwa 140 Wh/kg.[6]
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 Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit NMC-Kathodenmaterial waren bei Elektroautos des 21. Jahrhunderts lange führend, da sie eine vergleichsweise hohe Energiedichte aufweisen. Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial war ein Nischenprodukt, wenn die Batterie klein konzipiert wurde.
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.[11] Die Schutzschaltungen gegen Überladung sprechen meist bei 3,8 V an.[12]
Es gibt nur wenige genormte Bauformen. Grundsätzlich lassen sich Rundzellen und Flachzellen unterscheiden.
LiFePO4-Akkumulatoren besitzen gegenüber Bleiakkumulatoren in Bezug auf Zyklenfestigkeit, Baugröße, Kapazität und Gewicht deutliche Vorteile, Nachteil ist der höhere Anschaffungspreis von LiFePO4-Akkumulatoren im Vergleich zu elektrisch gleichwertigen Lösungen mit Bleiakkus. Hinzu kommen die Balancer, welche bei Bleiakkus nicht nötig sind.
Die folgende Liste bezieht sich insbesondere auf die Unterschiede zu den verbreiteten Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2)-Zellen.
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. Daher sind LiFePO4-Akkus gut zum Austausch herkömmlicher Bleiakkumulatoren geeignet.[23] Oft lässt sich dabei bei höherer Kapazität und Belastbarkeit Bauraum und Gewicht sparen, dem stehen die höheren 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 Kobalt-Basis, 3,7 V beim Lithium-Polymer-Akku). Bereits vorhandene Batteriemanagementsysteme, Balancer und Ladegeräte für die Anwendung bei Lithium-Ionen-Akkus auf Cobalt-Basis lassen sich nur selten auf LiFePO4-Akku umkonfigurieren. Beim Einsatz in Teslas Model 3 zeigte sich zudem Kälteempfindlichkeit.[24][25]
Die im Jahr 2012 in Insolvenz gegangene und danach neu aufgestellte A123Systems bot LFP-Akkus als Rundzellen unter dem Namen Lithium-Nanophosphat-Akku an. A123Systems beteiligte sich an der Entwicklung des seriellen Plug-in-Hybrid-Sportwagens Fisker Karma von Fisker Automotive.
EAS Batteries (früher GAIA Akkumulatorenwerke GmbH) im thüringischen Nordhausen fertigt zylinderförmige Zellen mit 18 Ah[28] und 38 Ah[29] in LFP-(Eisen-Phosphat)-Technologie, die zu Starterbatterien oder kundenspezifischen Traktionsbatterien konfektioniert werden.[30]
Die Firma Winston Battery Ltd (ehem. Thunder Sky Ltd) aus China[31] 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.
Die Varta AG mit der Varta Storage GmbH ist ein führendes europäisches Unternehmen, das Energiespeichersysteme auf Basis von Lithium-Eisenphosphat-Zellen für den privaten Haushalt und für die Industrie anbietet.[32][33]
Die Firma CATL beliefert Tesla seit 2020 mit Lithium-Eisenphosphat-Batterien.[34]
Die LMFP – Lithium-Mangan-Eisenphosphat-Akkumulator – sind eine Variante der LFP, die die vorhandene Gitterstruktur des Eisenphosphats benutzen, es aber mit Mangan anreichern. Damit kann man die Kapazität um etwa 15 % erhöhen und die Zyklenfestigkeit verbessern. Die meisten Patente beziehen sich auf manganreiche Materialien (Mangan zu Eisenphosphat zwischen 9:1 und 6:4).
BYD kündigte 2014 an, ab 2015 LMFP-Akkus in Fahrzeuge einzubauen.[36] Die chinesische Regierung bremste jedoch indirekt die Entwicklung, da ein neues Subventionsprogramm ab 2017 nur Batterien mit hoher Energiedichte förderte. In den folgenden Jahren dominierten NMC den chinesischen Markt, bis das Programm abgeschmolzen wurden und 2023 auslief.[37] CATL hat im Juli 2022 angekündigt, ab 2023 Tesla mit einer LMFP-Variante zu beliefern, wobei CATLs M3P neben Mangan auch Zink und Aluminium zur Dotierung verwenden.[38][39]
Die größten Zellblöcke bis 30.000 Ah werden in U-Booten verwendet, in unterbrechungsfreien Stromversorgungen[48] 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.[49] 40 MWh werden in einem Batteriespeicherkraftwerk in Shenzhen 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.[30] Porsche bot 2010 als erster Automobilhersteller gegen Aufpreis ab Werk eine LiFePO4-Starterbatterie an.[50]
Je nach Anwendung werden die Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren auf hohe Energiedichte zur 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 cycles is 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 Ladestandes genutzt werden. Darüber hinaus beeinträchtigen hohe Ladeströme die Lebensdauer sehr stark. Im Gegensatz dazu hat eine mäßige Temperaturerhöhung nicht zu einer kürzeren Lebensdauer geführt."[52]
About Lifepo4 battery wikipedia
As the photovoltaic (PV) industry continues to evolve, advancements in Lifepo4 battery wikipedia have become critical to optimizing the utilization of renewable energy sources. From innovative battery technologies to intelligent energy management systems, these solutions are transforming the way we store and distribute solar-generated electricity.
When you're looking for the latest and most efficient Lifepo4 battery wikipedia for your PV project, our website offers a comprehensive selection of cutting-edge products designed to meet your specific requirements. Whether you're a renewable energy developer, utility company, or commercial enterprise looking to reduce your carbon footprint, we have the solutions to help you harness the full potential of solar energy.
By interacting with our online customer service, you'll gain a deep understanding of the various Lifepo4 battery wikipedia featured in our extensive catalog, such as high-efficiency storage batteries and intelligent energy management systems, and how they work together to provide a stable and reliable power supply for your PV projects.
