Sind Li-Ionen-Batterien schwerer als LiFePO4-Batterien?

Lithiumbasierte Batterien haben sich in einer Vielzahl von Anwendungen im Bereich der tragbaren Energiespeicherung als beliebte Wahl herausgestellt – von Unterhaltungselektronik über Elektrofahrzeuge bis hin zu nachhaltigen Energiespeicherlösungen. Es gibt verschiedene Arten von Lithiumbatterien, und zu den gängigsten gehören Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) und Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4). Insbesondere bei der Auswahl der richtigen Batterie für eine bestimmte Anwendung ist das Gewicht ein entscheidender Parameter, denn je schwerer die Batterie ist, desto geringer sind Leistung, Tragbarkeit und Benutzerfreundlichkeit des Geräts oder Systems. Heute werde ich das Gewicht gängiger Li-Ionen- und LiFePO4-Batterien vergleichen und die wichtigsten Gründe erläutern, die sich auf ihr Gewicht auswirken, sowie anschließend erläutern, wie sich ihr Gewicht auf den Anwendungsfall auswirkt.

Li-Ionen- und LiFePO4-Akku

Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Akkus sind wiederaufladbare Batterien, bei denen Lithiumionen beim Entladen von der negativen Elektrode (Anode) zur positiven Elektrode (Kathode) und beim Laden wieder zurück wandern. Typischerweise bestehen sie aus einer Kathode aus Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), einer Graphitanode und einem flüssigen Elektrolyten. Die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus variiert je nach verwendetem Kathodenmaterial (z. B. Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) usw.).

Hauptmerkmale:

Energiedichte: Lithium-Ionen-Zellen haben eine hohe Energiedichte, was bedeutet, dass sie in der Lage sind, viel Energie in einem kleinen, leichten Paket zu speichern.

Anwendungen: Häufige Verwendung in Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeugen und tragbaren Elektrowerkzeugen.

Leistung: Eine der besten Eigenschaften von Lithium-Ionen-Akkus ist ihre Leistung in Bezug auf Leistungsabgabe und Effizienz.

Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4)-Batterie

LiFePO4-Batterien sind eine Art Lithium-Ionen-Batterie (Lithium-Ionen), die Lithiumeisenphosphat als Kathodenmaterial verwenden. Sie sind eine Art Lithium-Ionen-Batterie, haben aber eine besondere elektrochemische Zusammensetzung, die einige große Vorteile bietet.

Hauptmerkmale:

Warum Lithium-Eisen-Batterien besser sind LiFePO4-Batterien sind ein neuer Typ von Lithiumbatterien mit hohem Sicherheits- und Stabilitätsschutz. Der Hochtemperatur-Phasenübergangspunkt der LiFePO4-Batterie liegt bei fast tausend Grad Celsius.

Zyklen: Sie können viele tausend Lade-Entlade-Zyklen überstehen (sozusagen).

Geringe Energiedichte: Normalerweise variiert die Energiedichte weniger als bei anderen Lithium-Ionen-Zellen, was sich auf ihr Gewicht und ihre Größe auswirkt.

Vergleichende Gewichtsanalyse

Was ist schwerer: Lithium- oder Blei-Säure-Batterien? Zur Beantwortung dieser Frage ist es wichtig, die Energiedichte, die spezifische Energie und die beabsichtigte Anwendung zu berücksichtigen.

Spezifische Energie und Energiedichte

Unter Energiedichte versteht man die in einem bestimmten Volumen gespeicherte Energie, und unter spezifischer Energie die in einer bestimmten Masse gespeicherte Energie. Diese Messwerte sind für das Verständnis der Gewichtsauswirkungen der einzelnen Batterietypen entscheidend und oft genauso wichtig wie die Effizienzwerte.

Lithium-Ionen-Batterien

Hohe Energiedichte – Lithium-Ionen-Batterien haben normalerweise eine hohe Energiedichte; sie erreichen einen Wert zwischen 150 und 250 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg).

Höhere Energiedichte = höhere spezifische Energie, was bedeutet, dass Lithium-Ionen-Batterien bei gleichem Gewicht mehr Energie speichern können als LiFePo4.

LiFePO4-Batterien

Energiedichte: LiFePO4-Batterien haben eine Energiedichte von 90 – 160 Wh/kg.

Spezifische Energie: Diese geringere Energiedichte bedeutet auch, dass LiFePO4-Batterien schwerer sind als Ihre Standard-Li-Ionen-Batterie, wenn man das gesamte Energiespeichervolumen vergleicht.

Praktische Auswirkungen und Gewichtung der Eins-zu-eins-Zuordnung

Gewicht pro Energieeinheit

Würde ein Lithium-Ionen-Akku in einem Akkupack für 1 kWh Energie verwendet, könnte dieser 4–6 kg wiegen.

Die gleiche Energiespeicherkapazität beträgt bei einem LiFePO4-Akkupack 6–11 kg.

Systemgewicht

Die Gewichtseinsparungen könnten noch deutlicher ausfallen, wenn man das komplette Batteriesystem mit Gehäuse, Elektronik und Kühlsystem betrachtet. Insgesamt weisen Lithium-Ionen-Systeme mit besserer Energiedichte naturgemäß das geringste Gewicht und Volumen auf, während sich voluminösere LiFePO4-Systeme durch besondere Vorteile hinsichtlich Sicherheit und Langlebigkeit auszeichnen.

Apps und Akkunutzung

Elektrofahrzeuge (EVs)

Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen

Die hohe Energiedichte und das geringere Gewicht von Lithium-Ionen-Batterien machen sie ideal für Elektrofahrzeuge, da Gewichtseinsparungen zu Energieeffizienz und höherer Reichweite führen. Tatsächlich versuchen die Hersteller von Elektrofahrzeugen, jede dieser Eigenschaften zu optimieren, um die Reichweite eines Fahrzeugs mit einer einzigen Ladung zu erhöhen.

LiFePO4-Batterien in Elektrofahrzeugen

Wer es etwas abwechslungsreicher mag, kann für bestimmte Modelle oder Anwendungen auf LiFePO4-Batterien (Lithium-Eisenphosphat) zurückgreifen, bei denen Sicherheit und Langlebigkeit wichtiger sind als die maximale Reichweite. Beispielsweise bei Elektrobussen oder Lieferwagen, bei denen die Reichweite weniger wichtig ist, sondern Sicherheit und Lebensdauer im Vordergrund stehen, könnte die Wahl auf die schwereren LiFePO4- Batterien fallen.

Speicherung erneuerbarer Energien

Lithium-Ionen-Batterien

Bei mobilen Anwendungen dürfte sich ein solcher Gewichtsnachteil als weniger akzeptabel erweisen – stationäre Energiespeicheranwendungen wie Heimbatteriesysteme oder Netzspeicher wären vermutlich weniger betroffen. Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und der großen Platzersparnis bevorzugt, da sie zudem ein höheres Energiespeichervolumen auf begrenztem Raum ermöglichen.

LiFePO4-Batterien

Diese Batterien werden zunehmend zur Speicherung erneuerbarer Energien eingesetzt und sind für ihre lange Lebensdauer und Stabilität bekannt. Flüssigsalzbatterien sind sperriger und teurer, aber sicher und robust genug, um die Anforderungen für die Energiespeicherung von Solarmodulen oder Windturbinen zu erfüllen, bei denen das Volumen eine gewisse Flexibilität bietet.

Mobile Gadgets und Unterhaltungselektronik

Lithium-Ionen-Batterien

Ideal für die Stromversorgung von Smartphones, Laptops und anderen tragbaren elektronischen Geräten, da sie leicht sind und eine hohe Energiedichte aufweisen. Kompakte und leichte Geräte erfüllen die Bedürfnisse der Kunden. Die steigende Nachfrage nach tragbaren Geräten steigert die Beliebtheit von Lithium-Ionen-Akkus.

LiFePO4-Batterien

Aufgrund ihrer relativ geringen Energiedichte und ihres geringen Gewichts sind sie in der Unterhaltungselektronik seltener anzutreffen. Für bestimmte Zwecke, beispielsweise als tragbare Kraftwerke, bei denen Sicherheit und eine längere Lebensdauer erforderlich sind, sind sie jedoch nach wie vor beliebt.

Zukünftige Anerkennung und technologischer Fortschritt

Fortschritte bei LiFePO4-Batterien

LiFePO4-Batterien sind bereits für ihre Sicherheit und Langlebigkeit bekannt. Es werden jedoch weiterhin Anstrengungen unternommen, sie mit höherer Energiedichte und geringerem Gewicht zu entwickeln, ohne ihre eigentlichen Vorteile zu beeinträchtigen. Sie könnten sich in Anwendungen, in denen das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, als rentabel erweisen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Lithium-Ionen-Akkus leichter sind als LFP-Akkus, wenn man ihr Gewicht mit dem von LFP-Akkus vergleicht, da Lithium-Ionen-Akkus eine höhere Energiedichte und spezifische Energie aufweisen. Sie eignen sich daher ideal für Anwendungen, bei denen es auf geringes Gewicht ankommt, wie etwa in Elektrofahrzeugen oder tragbarer Unterhaltungselektronik. LiFePO4-Akkus sind zwar schwerer, bieten jedoch zahlreiche weitere Vorteile. So sind sie beispielsweise insgesamt viel sicherer und stabiler und halten etwa 3-4 Mal so viele Zyklen durch wie ihre LiPo-Pendants (allerdings bei höherem Gewicht pro Zyklus). Sie können daher in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine ihrer Stärken wichtiger ist als geringes Gewicht. Mit fortschreitender Technologie werden beide Akkutypen voraussichtlich in allen Bereichen besser und eignen sich daher für immer mehr Anwendungen, da ein Gleichgewicht zwischen Gewicht, Sicherheit und Leistung erreicht wird.