Lifepo4 vs. Lithium-Ionen: Der Kampf der Batterien

1.763 Herausgegeben von BSLBATT 19. April 2024

Lithium-Ionen (Li-Ion) und Lithium-Eisenphosphat ( LiFePO4 ) sind heute zwei der beliebtesten Arten wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Batterien, die in Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Beide bieten im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batterietypen eine hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung, hohe Zellspannung und einen geringen Wartungsaufwand.

Es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede zwischen den beiden, die sie für bestimmte Anwendungen besser geeignet machen.

Lithium-Ionen

Li-Ionen-Batterien verwenden Lithiumkobaltoxid ( LiCoO2 ) oder andere Lithiummetalloxide als positive Elektrode und Graphitkohlenstoff als negative Elektrode.

Während der Entladung wandern Lithiumionen durch den Elektrolyten und das Separatordiaphragma von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode.

Durch das Aufladen wird der Ionenfluss umgekehrt. Li-Ionen-Batterien haben eine hohe Energiedichte, können jedoch aufgrund der hochreaktiven Kobaltkathode instabil sein.

Lifepo4

LiFePO4-Batterien ersetzen die Kobaltoxid-Kathode durch Lithium-Eisenphosphat ( LiFePO4 ), das strukturell und thermisch stabiler ist.

Dies macht LiFePO4 von Natur aus sicherer als Li-Ionen, allerdings auf Kosten einer etwas geringeren Energiedichte.

LiFePO4 bietet außerdem eine längere Zyklenlebensdauer und eine bessere Leistung bei höheren Temperaturen.

Beide Arten von Lithium-Ionen-Batterien sind heute in Unterhaltungselektronik, Elektrowerkzeugen, Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen üblich. Wir werden die wichtigsten Unterschiede zwischen ihnen genauer untersuchen.

Chemie

LiFePO4-Batterien haben eine Kathode aus Lithiumeisenphosphat ( LiFePO4 ), während herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) oder andere Metalloxidkathoden verwenden.

Der wesentliche Unterschied liegt im Kathodenmaterial. LiFePO4 bietet eine stabilere und sicherere Kathodenchemie im Vergleich zu den Metalloxidkathoden, die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien zu finden sind.

Die Eisenphosphatstruktur widersteht Sauerstoffverlust, selbst bei Überladung oder Kurzschluss. Dies macht LiFePO4 von Natur aus nicht brennbar und eliminiert das Risiko eines thermischen Durchgehens.

Im Gegensatz dazu können Lithium-Ionen-Batterien mit Kobalt-, Nickel- und Mangan-Kathoden bei Überladung oder Beschädigung Sauerstoff freisetzen, was zu Bränden und Explosionen führen kann.

Der geschichteten Oxidstruktur fehlt die Stabilität der Olivinphosphatstruktur in LiFePO4. Dieser grundlegende Unterschied in der Kathodenchemie verleiht LiFePO4-Batterien ihren ausgezeichneten Sicherheitsruf.

Stromspannung

LiFePO4-Akkus haben im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus eine geringere Nennspannung. LiFePO4 arbeitet mit etwa 3,2 V, während Lithium-Ionen-Batterien typischerweise zwischen 3,6 und 3,7 V betrieben werden.

Diese niedrigere Spannung in LiFePO4 ist auf die Chemie des Kathodenmaterials zurückzuführen. Die LiFePO4-Kathode hat ein flaches Spannungsprofil und kann beim Laden und Entladen nur ein Elektron pro Formeleinheit abgeben.

Im Gegensatz dazu können Lithium-Ionen-Kathoden wie Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) den Großteil ihrer Lithiumionen freisetzen und so höhere Spannungen ermöglichen.

Die niedrigere Spannung von LiFePO4 bedeutet, dass mehr Zellen in Reihe geschaltet werden müssen, um die gewünschte Systemspannung zu erreichen.

Allerdings bietet die niedrigere Spannung im Vergleich zu Lithium-Ionen-Chemikalien mit höherer Spannung auch einige Vorteile in Bezug auf Sicherheit und Stabilität.

Insgesamt ist die etwas niedrigere Spannung von LiFePO4 ein Kompromiss, der eine hervorragende Zyklenstabilität und Sicherheit ermöglicht.

Laden/Entladen

LiFePO4-Akkus haben im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus eine sehr flache Entladekurve.

Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung beim Entladen der Batterie konstanter bleibt. Lithium-Ionen-Batterien hingegen haben eine abfallende Entladekurve, sodass die Spannung mit zunehmender Entladung der Batterie allmählich abnimmt.

Die flache Entladekurve von LiFePO4 macht sie ideal für Anwendungen, die eine stabile Spannungsausgabe erfordern.

Dinge wie Motorsteuerungen und Wechselrichter profitieren von der konstanten Spannungsversorgung während der Entladung. Bei Lithium-Ionen-Akkus kann es zu Leistungseinbußen kommen, wenn die Spannung sinkt.

LiFePO4 lädt sich auch anders auf als Lithium-Ionen. Die Spannung steigt schnell auf etwa 3,65 V und bleibt dann dort, während der Akku vollständig aufgeladen wird.

Die Lithium-Ionen-Spannung steigt während des Ladevorgangs stetig an. Dies bedeutet, dass LiFePO4 in den meisten Fällen das Schnellladen besser nutzen kann als Lithium-Ionen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LiFePO4 eine flache Spannungsentladung bietet, während Lithium-Ionen-Akkus einen allmählichen Abfall aufweisen. Und LiFePO4 lädt sich schnell auf die Spitzenspannung auf, während Lithium-Ionen langsam ansteigen.

Diese Entlade-/Ladeeigenschaften machen LiFePO4 ideal für Anwendungen, die eine stabile Spannung und schnelle Ladefähigkeit erfordern.

Zyklusleben

LiFePO4-Akkus haben im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus eine deutlich längere Zyklenlebensdauer.

Während Lithium-Ionen 500–1000 Zyklen durchhalten können, bevor die Kapazität auf 80 % abgebaut wird, kann LiFePO4 typischerweise 2000–5000 Zyklen oder mehr erreichen. Einige LiFePO4-Zellen wurden über 10.000 Zyklen mit minimalem Kapazitätsverlust getestet.

Der Hauptgrund für diese verlängerte Zyklenlebensdauer ist die Olivin-Kristallstruktur des Kathodenmaterials in LiFePO4.

Durch diese Struktur können Lithiumionen im Vergleich zu Schichtoxidkathoden wie Lithiumkobaltoxid mit weniger Spannung und Belastung eingebracht und extrahiert werden.

Die starre Struktur von LiFePO4 dehnt sich beim Radfahren nicht stark aus oder zieht sich kaum zusammen, was zu einer größeren Stabilität über Tausende von Zyklen führt.

Im Gegensatz dazu ändert die Schichtstruktur herkömmlicher Lithium-Ionen-Kathoden ihre Form während des Zyklus stärker, wenn Lithiumionen hinzugefügt und entfernt werden.

Dadurch werden die Elektroden und der Elektrolyt stärker belastet, was mit der Zeit zu einer schnelleren Verschlechterung der Batterie führt.

Für Anwendungen, die Tausende von Zyklen über viele Jahre hinweg erfordern, wie die Speicherung erneuerbarer Energien oder Elektrofahrzeuge, ist LiFePO4 in Bezug auf die Zyklenlebensdauer der klare Gewinner gegenüber normalen Lithium-Ionen-Batterien.

Die Fähigkeit, drei- bis zehnmal mehr Zyklen zu überstehen, bevor es zu einem Ausfall kommt, macht LiFePO4 zu einer attraktiven Wahl, wenn langfristige Haltbarkeit und Lebensdauer entscheidende Faktoren sind.

Sicherheit

LiFePO4-Batterien sind grundsätzlich sicherer als Lithium-Ionen-Batterien. Dies liegt an der chemischen Struktur und den Eigenschaften des Kathodenmaterials.

Lithium-Ionen-Batterien verwenden typischerweise Kathodenmaterialien wie Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC).

Diese geschichteten Oxidkathodenmaterialien sind instabil, insbesondere wenn sie überladen oder kurzgeschlossen sind.

Dies kann zur Freisetzung von Sauerstoff aus der Kathode führen und ein thermisches Durchgehen auslösen, was zu Bränden oder Explosionen führen kann.

Im Gegensatz dazu weist LiFePO4 eine Olivin-Kristallstruktur auf, die auch unter Missbrauchsbedingungen sehr stabil ist.

Die starken kovalenten Bindungen im Phosphatgerüst erschweren die Freisetzung von Sauerstoff äußerst.

Dadurch kommt es bei LiFePO4 nicht so leicht zu einem thermischen Durchgehen und die Gefahr, Feuer zu fangen oder zu explodieren, ist weitaus geringer.

LiFePO4 kann viel höheren Temperaturen (bis zu 700 °F) standhalten, bevor es zusammenbricht, verglichen mit der relativ niedrigen Temperatur des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen.

Kurzschlüsse, Überladung und andere elektrische oder mechanische Missbräuche führen bei LiFePO4 weitaus seltener zu einem katastrophalen Ausfall.

Diese inhärente Sicherheit und Stabilität ist ein Hauptgrund dafür, dass LiFePO4 für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen, bei denen Sicherheit von entscheidender Bedeutung ist, bevorzugt wird.

Kosten

LiFePO4-Batterien sind im Allgemeinen pro kWh günstiger als Lithium-Ionen-Batterien.

Dies liegt daran, dass LiFePO4 Eisenphosphat als Kathodenmaterial verwendet, das im Vergleich zu Kobalt, Nickel und Mangan, die in Lithium-Ionen-Kathoden verwendet werden, reichlich vorhanden und kostengünstig ist.

Darüber hinaus verfügt LiFePO4 über eine flachere Entladekurve als Lithium-Ionen-Akkus, wodurch weniger Elektronik für das Batteriemanagementsystem benötigt wird.

Das einfachere Batteriemanagementsystem senkt die Kosten für LiFePO4 zusätzlich.

Was die Vorabkosten für Batteriepakete betrifft, liegen LiFePO4-Batterien zwischen 300 und 500 US-Dollar pro kWh, während Lithium-Ionen-Batterien zwischen 150 und 300 US-Dollar pro kWh kosten.

Allerdings bedeutet die längere Lebensdauer von LiFePO4 im Vergleich zu Lithium-Ionen, dass die Kosten pro Zyklus oder die Kosten über die Batterielebensdauer für LiFePO4 niedriger sind.

Insgesamt führen die günstigeren Rohstoffkosten und die einfachere Elektronik dazu, dass LiFePO4 trotz der höheren Vorlaufkosten niedrigere Lebenszeitkosten pro kWh aufweist.

Dies macht es für viele Anwendungen zu einer attraktiven Wahl gegenüber Lithium-Ionen, insbesondere wenn lange Lebensdauer und Sicherheit Priorität haben.

Anwendungen

LiFePO4- und Lithium-Ionen-Batterien werden beide in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, haben jedoch jeweils Vorteile, die sie für bestimmte Anwendungsfälle besser geeignet machen.

LiFePO4-Batterien werden in der Regel für Hochleistungsanwendungen wie Elektrowerkzeuge und Elektrofahrzeuge bevorzugt.

Aufgrund ihrer sicheren Chemie und der Fähigkeit, hohe Ströme zu liefern, eignen sie sich gut für Dinge, die sofort viel Strom benötigen. LiFePO4 hat es in sich, wenn Sie sofort Strom benötigen.

Lithium-Ionen-Akkus hingegen eignen sich oft besser für kleinere Elektronikgeräte wie Laptops, Mobiltelefone und Tablets.

Aufgrund ihrer höheren Energiedichte können sie mehr Energie in einem kleineren, leichteren Paket speichern.

Das macht Lithium-Ionen ideal, wenn Platz und Gewicht optimiert werden müssen, wie etwa bei einem Smartphone.

Der Nachteil besteht darin, dass sie nicht so gut mit hoher Leistungsaufnahme zurechtkommen.

LiFePO4 ist ideal für Hochleistungswerkzeuge, Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen, die eine große Stromimpulsmenge erfordern. Aufgrund ihrer sicheren Chemie eignen sie sich auch gut für medizinische Geräte.

Lithium-Ionen eignen sich besser für Unterhaltungselektronik und andere Anwendungen, bei denen geringes Gewicht und geringe Größe im Vordergrund stehen. Ihre höhere Energiedichte ist perfekt für die Maximierung der Laufzeit.

Jede Technologie hat Stärken in unterschiedlichen Anwendungen, basierend auf den spezifischen Anforderungen und Kompromissen. LiFePO4 für pure Leistung, Lithium-Ionen, wenn Platz und Gewicht entscheidend sind.

Umweltfreundlich

LiFePO4-Batterien haben gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien einen klaren Umweltvorteil.

Das Kathodenmaterial in LiFePO4-Batterien verwendet Eisenphosphat, das ungiftig und in der Natur reichlich vorhanden ist.

Im Gegensatz dazu sind Kobalt, Nickel und Mangan, die in Lithium-Ionen-Kathoden verwendet werden, seltenere Elemente, die in hohen Konzentrationen gefährlich sein können.

Bei der Batterieproduktion werden bei der Synthese von LiFePO4 im Vergleich zu Lithium-Ionen nur minimale Treibhausgase freigesetzt.

Auch die Entsorgung ist weniger problematisch, da durch das Eisenphosphat keine giftigen Chemikalien in die Umwelt gelangen.

Insgesamt haben die Materialien und die Herstellung von LiFePO4-Batterien eine deutlich geringere Umweltbelastung.

Da Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme immer beliebter werden, wird die Wahl der Batteriechemie große ökologische Auswirkungen haben.

Eine weit verbreitete Einführung von LiFePO4 könnte den ökologischen Fußabdruck dieser Technologien erheblich verringern.

Aufgrund ihrer verbesserten Nachhaltigkeit und Sicherheit werden LiFePO4-Batterien wahrscheinlich eine führende Rolle bei der grünen Energiewende spielen.

Abschluss

Bei der Bewertung von LiFePO4- und Lithium-Ionen-Batterien sind einige wesentliche Unterschiede zu berücksichtigen.

LiFePO4-Batterien haben eine geringere Energiedichte, aber eine bessere thermische und chemische Stabilität.

Sie haben außerdem eine längere Lebensdauer, einen langsameren Kapazitätsverlust und sind von Natur aus sicherer.

Der Hauptnachteil ist ihre niedrigere Spannung, die für die gleiche Spannung wie bei Lithium-Ionen-Akkus mehr Zellen in Reihe erfordert.

Lithium-Ionen-Batterien haben eine höhere Spannungs- und Energiedichte.

Dies ermöglicht kleinere, leichtere Batterien bei gleicher Kapazität.

Allerdings sind sie thermisch weniger stabil, neigen zu Alterungseffekten und können bei unsachgemäßer Handhabung ein Brandrisiko darstellen.

Für Anwendungen, bei denen Sicherheit und lange Lebensdauer von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. Elektrofahrzeuge und Energiespeicherung, ist LiFePO4 trotz seiner größeren Größe und seines größeren Gewichts normalerweise die bessere Wahl.

Für Unterhaltungselektronik, bei der es auf geringe Größe ankommt, ist Lithium-Ionen vorzuziehen.

Bei Anwendungen dazwischen sind jedoch Kompromisse zu berücksichtigen.

Insgesamt ist LiFePO4 die sicherere und langlebigere Batteriechemie, muss aber im Vergleich zu Lithium-Ionen etwas an Leistung einbüßen.

Wählen Sie daher Lithium-Ionen, wenn Sie die Energiedichte optimieren, und LiFePO4, wenn Sie Sicherheit und Lebensdauer optimieren. Berücksichtigen Sie die Prioritäten für Ihre spezifische Anwendung.