Kampf der Batterien: Lithium-Ionen vs. LiFePO4 – welche sollten Sie kaufen?

Lithium- und LiFePO4-Batterien für Elektrofahrzeuge und Solarmodule: Vergleich von Leistung, Kosten, Haltbarkeit und Sicherheit. Datenbasierte Anleitung ist enthalten.

Lithium-Ionen- und Lithium-Eisenoxid-Batterien (LiFePO4) gehören zu den am häufigsten verwendeten wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zellen in der heutigen Unterhaltungselektronik. Obwohl beide Batterien leichte und hohe Energiedichten zum Laden tragbarer Geräte oder Elektroautos bieten, unterscheiden sie sich in mehreren Punkten.

Graphitkathoden werden typischerweise mit Lithium-Kobalt- oder Manganoxiden (LiMn2O4) als Lithium-Ionen-Anoden verwendet. Es handelt sich um eine organische Flüssigkeit, die ein Lithiumsalz enthält. LiFePO4-Zellen ersetzen Mangan/Kobalt durch Eisenphosphat. Die Graphitanode ist dieselbe.

LiFePO4 bietet eine höhere Zyklenlebensdauer und Sicherheit, obwohl Lithium-Ionen eine höhere Energiedichte aufweisen. Um die beste Batterie für Ihre Anwendung auszuwählen, müssen Sie die Vor- und Nachteile der einzelnen Typen kennen. Dieser Artikel untersucht verschiedene Kennzahlen, die LiFePO4 und Lithium-Ionen vergleichen, um herauszufinden, welcher Batterietyp für bestimmte Anwendungen am besten geeignet ist.

Chemie

Lithium-Eisenphosphat-Batterien unterscheiden sich von Lithium-Ionen-Batterien durch das für ihre Kathoden verwendete Material. In den meisten Fällen bestehen die positiven Elektrodenmaterialien in Lithium-Ionen-Zellen aus Lithiumkobalt, Mangan und Kobalt. LiFePO4-Zellen verwenden LiFePO4 als Kathode.

Für Kathoden kommen viele verschiedene Materialien zum Einsatz. Diese beeinflussen Leistung, Sicherheit und Kosten der Batterie. LiCoO2 bietet eine höhere Spannung und Energiedichte, kann aber instabiler sein. LiFePO4 liefert eine niedrige Spannung bei besserer Stabilität und Sicherheit. Bei LiMn2O4 ist das Ziel, einen Kompromiss zwischen Energie, Kosten und Sicherheit zu finden. NMC strebt einen ähnlichen Mittelweg zwischen Kosten und Energieeffizienz an. Li-Ionen bieten eine höhere Energiedichte als LiFePO4, während LiFePO4 zudem ein höheres Maß an Sicherheit und Lebensdauer bietet. Ein wichtiger Aspekt beim Vergleich der beiden Batterietypen ist die Kathode.

Stromspannung

Die normale Spannung von Lithium-Ionen-Zellen liegt bei etwa 3,6 Volt oder 3,7 Volt. Diese Spannung übertrifft die anderer wiederaufladbarer Zellchemien. NiMH-Akkuzellen haben typischerweise eine Spannung von etwa 1,2 Volt. Eine höhere Spannung ermöglicht es, dass Lithium-Ionen-Akkus leichter und kleiner sind und mehr Energie speichern können.

LiFePO4-Batterien haben eine Nennspannung, die mit 3,2 Volt bzw. 3,3 Volt etwas unter der von Lithium-Ionen-Batterien liegt. Diese Spannung ist zwar niedriger als der Nennwert von Lithium-Ionen-Batterien von 3,3 Volt pro Zelle, aber immer noch höher als die von NiMH- oder Blei-Säure-Batterien (2 V/Zelle). LiFePO4 benötigt für die gleiche Spannung mehr Batteriezellen als Lithium-Ionen-Batterien, da die Spannung pro Zelle niedriger ist. Die anderen Vorteile von LiFePO4 gleichen die niedrige Spannung aus.

Energiedichte

Beim Vergleich von LiFePO4 mit Lithium-Ionen ist die Energiedichte einer der Hauptfaktoren. Mit der Energiedichte ist die Menge an Energie gemeint, die in einer einzelnen Batterie gespeichert werden kann.

Lithium-Ionen-Batterien haben eine höhere Energiedichte als LiFePO4-Batterien. Die Energiedichte von Lithium-Batterien liegt zwischen 100 und 265 Watt/kg. LiFePO4 hat typischerweise eine Energiedichte zwischen 90 und 120 Watt/kg. Lithium-Ionen-Batterien haben im Verhältnis zu ihrem Volumen und Gewicht eine höhere Energiedichte.

Unterschiedliche Kathodenmaterialien ermöglichen eine höhere Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Batteriekathoden können aus Lithium-Kobalt- oder Manganoxiden (LiMn2O4) bestehen. Ihre Schichtstruktur ermöglicht die Speicherung von mehr Lithium-Ionen in derselben Kathode. LiFePO4 hingegen weist eine olivinähnliche Kristallstruktur auf, die weniger Platz für Lithium bietet.

Lithium-Ionen-Zellen verfügen über etwa die doppelte Energiedichte pro Volumen als LiFePO4. Daher eignen sich Lithium-Ionen-Zellen für den Einsatz in mobilen Geräten oder Elektrofahrzeugen, die oft schwer und platzsparend sind. LiFePO4 bietet eine etwas geringere Energiedichte, kann aber für stationäre Energiespeicher, bei denen Sicherheit eine höhere Priorität hat, vorteilhaft sein. Es gilt, die Vor- und Nachteile der einzelnen Einsatzmöglichkeiten abzuwägen.

Zykluslebensdauer

LiFePO4 -Zellen haben tendenziell eine längere Zyklenlebensdauer als Lithium-Ionen-Zellen. Die Zyklenlebensdauer bedeutet, dass die Kapazität einer Batterie nach mehreren Lade- und Entladevorgängen bis zu einem gewissen Punkt abnimmt. Normalerweise geschieht dies bei etwa 80 %.

Die Kapazität von LiFePO4-Li-Ionen-Akkus bleibt nach 2.000–3.000 Zyklen typischerweise bei 80–90 %. Lithium-Ionen-Akkus hingegen behalten nach 500–1.000 Zyklen etwa 80 % ihrer Kapazität. LiFePO4 ist unabhängig von Faktoren wie Tiefe und Temperatur stets überragend langlebig.

Der Hauptgrund für die längere Zyklenlebensdauer von LiFePO4 ist seine Olivin-Kristallstruktur, die äußerst stabil und widerstandsfähig gegen Schäden beim Laden und Entladen ist. Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus graphitbasierten Anoden, die mit der Zeit schneller verschleißen. Die hohe Zyklenlebensdauer von LiFePO4 eignet sich ideal für Langzeitanwendungen mit häufigen Tiefentladungen.

Sicherheit

LiFePO4- und Lithium-Ionen-Batterien unterscheiden sich erheblich in ihrer Sicherheit.

Lithium-Ionen-Akkus enthalten brennbare Elektrolyte. Bei einer Beschädigung oder Überladung kann sich der Elektrolyt entzünden. Es gibt Berichte über Brände von Lithium-Ionen-Akkus in Laptops und Mobiltelefonen. LiFePO4-Zellen verwenden einen stabilen Elektrolyten. Selbst bei einer Beschädigung des Akkus ist ein Brand oder eine Explosion äußerst unwahrscheinlich.

Lithium-Ionen-Batterien können außerdem einen thermischen Durchbruch erleiden, d. h., die Reaktionen in ihnen geraten aufgrund von Überhitzung außer Kontrolle. Dies kann zu schneller Erwärmung oder sogar Explosionen führen. LiFePO4 hingegen hat kein thermisches Durchgehen und weist eine deutlich verbesserte thermische Stabilität auf.

LiFePO4 bietet im Vergleich zu Lithium-Ionen ein höheres Maß an Gesamtsicherheit. LiFePO4 ist eine sicherere Option für Anwendungen, bei denen Sicherheit an erster Stelle steht, wie beispielsweise bei Elektrofahrzeugen. LiFePO4 bietet einen erheblichen Vorteil, da es stabiler ist und kein thermisches Durchgehen aufweist.

Kosten

Lithium-Ionen-Batterien waren traditionell teurer als LiFePO4-Batterien pro Kilowattstunde. Lithiumbatterien enthalten teurere Kathodenelemente wie Kobalt und Nickel als das Eisenphosphat von LiFePO4.

Die Kosten für Lithium-Ionen-Zellen sind im letzten Jahrzehnt dank Fertigungsverbesserungen und Skaleneffekten drastisch gesunken. Viele der heute in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Kathodenmaterialien sind kostengünstiger, wie beispielsweise Nickel-Mangan-Koprolith (NMC), Lithium-Mangan-Oxid oder Lithium-Eisen-Chlorid (LFP). Gemessen an den Kosten pro kWh ist LiFePO4 mittlerweile günstiger.

Die Kosten für LiFePO4 sind ebenfalls gesunken, allerdings nicht annähernd so stark wie für Lithium-Ionen. LiFePO4 war pro kWh die meiste Zeit etwas günstiger als Lithium-Ionen, obwohl dieser Preisunterschied in vielen Fällen nur 10–20 % beträgt.

Die Kosten für LiFePO4 und Lithium-Ionen können bei größeren Produktionsmengen oder Hochleistungsanwendungen sehr ähnlich sein. Bei kleineren Mengen dürfte LiFePO4 im Vorteil sein. In den letzten Jahren hat sich die Lücke zwischen Kosten und Leistung jedoch deutlich verringert.

Die Anwendung

Lithium-Ionen und LiFePO4 werden für ähnliche Zwecke verwendet, jedoch in unterschiedlichen Situationen, basierend auf Stärken und Einschränkungen.

Lithium-Ionen-Batterien finden sich häufig in elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Tablets und Laptops. Ihre hohe Energiedichte kann von Vorteil sein. In der Luft- und Raumfahrtindustrie kann die Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Batterien für Produkte wie Raketen und Drohnen genutzt werden. Die Lithium-Ionen-Technologie wird häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt, um die Reichweite zu maximieren.

LiFePO4-Zellen werden jedoch für Anwendungen wie Elektrowerkzeuge bevorzugt. LiFePO4 bietet Stabilität und Sicherheit und ist daher eine ausgezeichnete Wahl für Batterien, die häufige Ladezyklen überstehen müssen. Aufgrund seiner längeren Lebensdauer findet sich LiFePO4 in vielen Energiespeichern für Haushalte, Unternehmen und das Stromnetz.

Fazit: Lithium-Ionen-Batterien eignen sich am besten für kleine und leichte Anwendungen, die maximale Energiespeicherung erfordern. LiFePO4 eignet sich für Hochleistungsbatterien, die wiederholt geladen und entladen werden. Beides spielt eine Rolle, je nachdem, wie die Batterie genutzt wird.

Umweltauswirkungen

Lithium, das in LiFePO4- und Lithium-Ionen-Batterien enthalten ist, kann bei unsachgemäßem Recycling negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Dennoch gibt es einige wesentliche Unterschiede.

Da Lithium-Ionen-Batterien aus Kobalt, Nickel und Schwermetallen bestehen, können sie bei unsachgemäßer Entsorgung in die Luft gelangen. LiFePO4 enthält keine dieser Metalle. Die Gewinnung von Lithium und Kupfer für Lithium-Ionen-Batterien führt zu Bedenken hinsichtlich der Wasserverschmutzung. Dies hat auch Auswirkungen auf die lokalen Gemeinden. LiFePO4 benötigt weniger Kobalt.

Die thermische und chemische Stabilität von LiFePO4 ist höher als die von Lithium-Ionen. Dadurch ist es weniger anfällig für Brände und Explosionen. LiFePO4 bietet eine höhere Zyklenlebensdauer. Die Batterien müssen seltener ausgetauscht werden. Dies trägt zur Reduzierung von Elektroschrott bei.

LiFePO4 hat einen geringeren Metallgehalt, was den Recyclingprozess vereinfacht. Lithium-Ionen-Akkus lassen sich derzeit nicht gut recyceln. LiFePO4 bietet eine umweltfreundlichere Alternative als andere Lithium-Ionen-Akkus und birgt in jeder Phase seines Lebenszyklus weniger Sicherheitsrisiken. Recycling ist bei beiden Akkutypen unerlässlich. Auf lanpwr finden Sie einige Akkus .

LiFePO4 hat seine Vor-, aber auch Nachteile. Da Lithium-Ionen eine höhere Energiedichte und einen größeren Spannungsbereich aufweisen, eignen sie sich gut für tragbare Elektronikgeräte sowie Elektrofahrzeuge mit begrenztem Platz- und Gewichtsbedarf. LiFePO4-Zellen hingegen sind sicherer und haben eine längere Lebensdauer. Sie enthalten keine giftigen Stoffe und sind daher umweltfreundlicher. Lithium-Ionen-Zellen sind in der Anschaffung günstiger, müssen aber möglicherweise früher ausgetauscht werden. LiFePO4 hat höhere Anschaffungskosten als LiFePO4, ist aber langlebiger, wodurch die Lebenszykluskosten ausgeglichen werden. Die Lithium-Ionen-Technologie dürfte für viele Verbraucheranwendungen am besten geeignet sein, bei denen die Energiedichte wichtig ist. LiFePO4 bietet eine sicherere und langlebigere Lösung.