Die Unterschiede zwischen LiFePO4- und Lithium-Ionen-Batterien verstehen

In der aktuellen Batterietechnologie stehen zwei Arten von wiederaufladbaren Batterien im Fokus: LiFePO4-Batterien (Lithium-Eisenphosphat) und Lithium-Ionen-Batterien. Beide Typen bieten zwar ihre eigenen Vorteile und eignen sich für unterschiedliche Anwendungen, unterscheiden sich jedoch erheblich in Bezug auf Chemie, Leistungsmerkmale und Anwendungsbereiche. Zum besseren Verständnis erläutert dieser Beitrag die Unterschiede zwischen LiFePO4-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien, einschließlich der jeweiligen Vor- und Nachteile sowie deren jeweilige Anwendungsfälle.

Chemie und Zusammensetzung

LiFePO4-Batterien: LiFePO4 -Batterien sind Lithium-Ionen-Batterien, deren Kathode speziell aus Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) besteht. Die Anode besteht üblicherweise aus Graphit. Die Entscheidung für Eisenphosphat (für die Kathode) unterscheidet diese Batterien insbesondere hinsichtlich Sicherheit und Haltbarkeit.

Lithium-Ionen-Batterien: Lithium-Ionen-Batterien sind in verschiedenen chemischen Zusammensetzungen erhältlich, am häufigsten sind Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Manganoxid (LiMn2O4) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC). Sie verfügen in der Regel auch über eine Graphitanode. Das Verhalten der Batterie, einschließlich Energiedichte, Lebensdauer und Sicherheit, wird durch die einzigartige chemische Zusammensetzung beeinflusst.

LiFePO4-Batterien: Geringerer Energieverbrauch im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien – Mäßig hohe Leistung (bis zu 1200 Zyklen). Sehr gute Kapazität (80–100 % im Vergleich zum Nennwert – 100 % im Vergleich zu Blei-Säure). Können schneller vollständig aufgeladen werden als Blei (~1C). Sicherheit! Am unteren Ende des Spektrums liegen sie zwischen 90 und 120 Wh/kg. Obwohl dies wie ein Nachteil erscheinen mag, macht es sie viel sicherer, da sie weniger anfällig für Überhitzung und vor allem für thermisches Durchgehen sind.

Lithium-Ionen-Batterien: Lithium-Ionen-Batterien Lithium-Sauerstoff-Batterien erreichen eine Energiedichte von 150–200 Wh/kg oder mehr, insbesondere Lithium-Kobaltoxid. Ihre hohe Energiedichte macht sie ideal für den Einsatz in Geräten, bei denen Platz und Gewicht entscheidend sind, wie z. B. Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeugen.

Lebensdauer (15–20 Jahre)

LiFePO4-Batterien : Einer der größten Vorteile von LiFePO4-Batterien ist ihre lange Lebensdauer. Je nach Entladetiefe und Betriebsbedingungen beträgt ihre Lebensdauer in der Regel 2000 bis 5000 Lade-/Entladezyklen. Dies macht sie zur idealen Wahl für Anwendungen, bei denen langfristige Zuverlässigkeit wichtig ist, wie z. B. Solarenergiespeichersysteme und Antriebe für Elektrofahrzeuge.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus: Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus haben eine kürzere Lebensdauer als typische LiFePO4-Akkus, typischerweise 500 bis 1000 Zyklen. Moderne Akkus sind auf eine deutlich längere Lebensdauer ausgelegt und werden durch technologische Verbesserungen immer besser. Dennoch erreichen sie selten die Zyklenlebensdauer von LiFePO4-Akkus und sind daher für Anwendungen mit hoher Zyklenzahl weniger geeignet.

Sicherheit und Stabilität

LiFePO4-Batterien: In puncto Sicherheit haben sich LiFePO4-Batterien als die sichersten erwiesen. Die starken Atombindungen des Eisenphosphats verhindern einen wichtigen Mechanismus, der den thermischen Durchbruch begünstigt – bei dem eine Batterie unkontrolliert überhitzt und manchmal Brände oder Explosionen auslöst. Sie sind außerdem deutlich weniger anfällig für Entzündungen, wenn sie beschädigt werden, da sie auf die Temperatur von geschmolzenem Eisen mit Konzentrationen von reinem Lithium erhitzt werden müssen. Sie können auch hohe Hitze aushalten, ohne gefährlich instabil zu werden – ein weiteres Sicherheitsmerkmal.

Lithium-Ionen-Batterien : Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere solche mit kobaltbasierter Chemie, sind anfälliger für thermisches Durchgehen und Überhitzung. Dies erfordert fortschrittliche Batteriemanagementsysteme (BMS), die Wärme, Spannung und Stromstärke einer Batterie überwachen und steuern. Trotz dieser Maßnahmen gibt es Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit Ausfällen von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Belastung.

Umweltfreundlich

LiFePO4-Batterien: LiFePO4-Batterien sind im Vergleich zu anderen Lithium-basierten Chemikalien für ihre geringere Umweltbelastung bekannt. LiFePO4-Batterien verwenden Eisen und Phosphat, Materialien, die deutlich umweltfreundlicher und häufiger vorkommen als Kobalt und Nickel, die in anderen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist die längere Lebensdauer der LiFePO4-Batterie, was weniger Abfall und weniger Austausch im Laufe der Zeit bedeutet.

Lithium-Ionen-Batterien: Die Umweltauswirkungen von Lithium-Ionen-Batterien hängen vom jeweiligen Element und dessen spezifischer Chemie ab. Die Gewinnung von Kobalt, das häufig in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, kann angesichts der begrenzten Verfügbarkeit des Metalls erhebliche ökologische und ethische Probleme mit sich bringen. Obwohl Bemühungen zur Entwicklung kobaltfreier Lithium-Ionen-Batterien zur Reduzierung ihrer Umweltbelastung bestehen, sind diese derzeit insgesamt weniger umweltfreundlich als LiFePO4-Batterien.

Kosten

LiFePO4-Batterien: Die Herstellung von LiFePO4-Batterien war aufgrund der verwendeten Materialien und des Herstellungsprozesses bisher kostengünstig. Ihre lange Lebensdauer und die zusätzliche Sicherheit überwiegen jedoch oft die hohen Anschaffungskosten über die gesamte Lebensdauer der Batterie. Mit dem technologischen Fortschritt und der Produktionssteigerung sinken die Preise.

Lithium-Ionen-Batterien: Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere solche aus günstigeren Materialien wie Mangan, sind in der Regel kostengünstiger zu installieren. Der weit verbreitete Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in der Unterhaltungselektronik hat die Kosten durch Skaleneffekte gesenkt. Die kürzere Lebensdauer und die damit verbundenen Sicherheitsrisiken können jedoch langfristig zu höheren Kosten führen, insbesondere bei Anwendungen, die häufige Austauschzyklen erfordern.

Anwendungen

Da LiFePO4-Batterien sicher sind, eine lange Lebensdauer haben und recht stabil sind, werden sie für Elektrofahrzeuge (EVs) verwendet , insbesondere aus Sicherheitsgründen und wegen ihrer langen Lebensdauer.

Speicherung von Solarenergie: Perfekt für netzunabhängige Haushalte und Unternehmen, die garantierte und unbegrenzte Batteriespeicherlösungen benötigen.

Notstromversorgungssysteme: In Anwendungen wie unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) und netzunabhängigen Stromversorgungssystemen.

Einsatz auf See und in Wohnmobilen : Eine Batterie, die unter vielen verschiedenen Bedingungen funktionieren muss.

Lithium-Ionen-Akkus: Lithium-Ionen-Akkus werden dort eingesetzt, wo hohe Energiedichte und niedrige Anschaffungskosten weniger wichtig sind als eine lange Lebensdauer. Beispiele hierfür sind Unterhaltungselektronik: Smartphones, Laptops, Tablets und Kameras. Tragbare Elektrowerkzeuge: Hier kommt es auf hohe Leistung und geringes Gewicht an.

Elektrofahrzeuge: Insbesondere bei Modellen, bei denen Reichweite und Leistung im Vordergrund stehen. Netzspeicherung: Für den Ausgleich von Angebot und Nachfrage in großen Energiesystemen sind Sicherheitsmaßnahmen von entscheidender Bedeutung.

Zusammenfassung

Obwohl LiFePO4- und Lithium-Ionen-Batterien ihre Stärken und Anwendungsgebiete haben, können beide den Markt bis zu einem gewissen Grad zufriedenstellen. LiFePO4-Batterien übertreffen in puncto Sicherheit, Lebensdauer und Haltbarkeit die Konkurrenz und eignen sich daher perfekt für den Langzeitgebrauch und als Stromversorgungslösung. Im Gegensatz dazu sind Lithium-Ionen-Batterien leicht und auf den ersten Blick relativ günstig und eignen sich daher besser für tragbare elektronische Geräte und andere Anwendungen, bei denen Größe und Gewicht eine Rolle spielen. LiFePO4 vs. Lithium-Ionen – welche Batterie man wählt, hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab und hängt von Sicherheit, Lebensdauer, Dichte oder Kosten ab. Da die Batterietechnologie rasant weiterentwickelt wird, ist zu hoffen, dass beide Batterietypen von den damit verbundenen Verbesserungen profitieren und in zahlreichen Anwendungen noch praktikabler und nachhaltiger werden.