Generell bestehen Batterien – egal welcher Größe und Kapazität aus Batteriezellen, die zu einem Batteriemodul zusammengeschaltet werden. Über die Verbindung mehrerer Batteriemodule wird die Kapazität der Batterie skaliert. Verschiedene Anwendungen haben verschiedene Anforderungen an Kapazität und Leistung. Um die Anforderungen einer Anwendung zu erfüllen, stehen verschiedene Batteriechemien mit jeweils unterschiedlichen Charakteristika zur Verfügung. Im Allgemeinen werden für die meisten Anwendungen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) verwendet, die man aus Handys, Notebooks oder auch dem Elektroauto kennt.

Innerhalb der Übergruppe der LIB gibt es jedoch große Unterschiede der Batteriecharakteristika, die sich durch die Auswahl des jeweiligen Kathodenmaterials bedingen. LIB-Kathoden bestehen aus einem Stromableiter (meist Aluminium-Folien), auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist, in dem der Strom und die Lithium-Ionen gespeichert werden können. Am weitesten verbreitet sind die Batteriezellchemien Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan (NMC), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) und Lithium-Eisen-Phosphat (LFP).

Vorteile von LFP als Kathodenmaterial

NCA und gerade NMC Batterien sind am weitesten verbreitet, da sie einen guten Kompromiss zwischen Leistung, Energiedichte und Kosten schließen. Warum wir in unseren Lösungen auf die etwas teurere LFP-Technologie setzen, fassen wir in den folgenden Unterpunkten zusammen.

1. Sicherheit – Keine Kompromisse

Die Sicherheit unserer Lösungen hat für uns und für unsere Kunden die höchste Priorität, weshalb wir hier keine Kompromisse in unseren Lösungen eingehen wollen. All unsere Systeme sind mit elektrischen und/oder mechanischen Schutzschaltungen gegen Übertemperatur, Überstrom, Überspannung und Kurzschluss abgesichert. Zusätzlich ist die LFP Technologie sicherheitstechnisch im Vergleich zu anderen LIB Zelltechnologien außer Konkurrenz.

Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial (z.B. NMC) kann starke Wärmeentwicklung bei Überladung, ein interner oder externer Kurzschluss, mechanische Beschädigung, produktionsbedingte Verunreinigungen oder starke äußere Hitzeeinwirkung eine zellinterne exotherme chemische Reaktion auslösen. Die freiwerdende Wärmeenergie erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit der Zellchemie und lässt die zellinterne Temperatur weiter ansteigen. Bei Überschreitung einer spezifischen Temperaturgrenze kann dieser sich selbst­beschleunigende Prozess nicht mehr gestoppt werden. Es kommt zum Thermal Runaway (thermisches Durchgehen), was zum Brand oder zur Explosion der Zelle führen kann. Weil der im Kathodenmaterial gebundene Sauerstoff in einem solchen Fall freigesetzt wird, ist ein derartiger Brand nur sehr schwer zu löschen.

Anders als bei anderen LIB kommt es bei LFP Batterien während der chemischen Reaktion nicht zur Freisetzung von Sauerstoff, wodurch die Neigung zum thermischen Durchgehen verringert wird. LFP Batterien sind nicht selbstentzündlich (z.B. durch Überladung) und haben bis 300° C keinerlei thermische Effekte.

Die Notwendigkeit einer sicheren Batterietechnologie hat sich insbesondere nach einer Reihe von Bränden der unsichereren LIB bestätigt, zuletzt bei einem Großbrand einer Großspeicheranlage in Australien, der erst nach drei Tagen gelöscht werden konnte.

2. Zyklenfestigkeit & Langlebigkeit

Jede Batteriezelle ist mit jedem Betriebszyklus (Ladung und Entladung) chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen wie Ausdehnung ausgesetzt, die die Zelle altern lassen und einen Teil ihrer ursprünglichen Kapazität einbüßen. Dieses Phänomen sollte jedem von seinem Smartphone bekannt sein – nach 2 Jahren reicht die Akkuladung nur noch einen halben Tag anstatt wie zuvor einen oder sogar mehrere.

Aufgrund der etwas niedrigeren Zellspannung von 3,2 V ist die Energiedichte von LFP-Zellen zwar nicht ganz so hoch wie bei NMC-Zellen, jedoch wird dieser vermeintliche Nachteil bereits nach kurzer Einsatzdauer durch eine bis zu zehnfach höhere Zyklenfestigkeit mehr als ausgeglichen. NMC-Zellen altern zyklisch wesentlich schneller und weisen bereits nach etwa 500-1000 Zyklen nur noch 80 Prozent der Anfangskapazität auf. Dahingehend relativieren sich die etwas höheren Initialkosten beim Einsatz von Lithium-Eisen-Phosphat.

Aufgrund höherer Beanspruchung der Batterie in mobilen Anwendungen können LFP-Batterien im tragbaren und mobilen Bereich zu einer längeren Lebensdauer beitragen. Durch die längere Betriebsdauer von Batteriespeichersystemen mit LFP-Technologie im stationären Bereich können die relativen Speicherkosten (Levelized Costs Of Storage / LCOS) über die Lebenszeit um 50% gegenüber NMC-Batterien gesenkt werden. 

3. Hohe Lade- und Ausgangsregelung

Die LFP-Technologie stellt sicher, dass unsere Lösungen auch am Ende ihres Lebenszyklus noch die angegebene Leistung abrufen können. Der Memory Effekt der LFP-Zellen ist im Vergleich zu anderen LIB zu vernachlässigen. Der Memory-Effekt meint einen Kapazitätsverlust einer Batterie, wie er sich bei häufiger Teilentladung eines Akkus ergibt. Die Batterie „merkt“ sich den Energiebedarf und liefert mit der Zeit anstelle der ursprünglichen Energie nur die bei den bisherigen Entladevorgängen benötigte.

LFP-Batterien verfügen im direkten Vergleich zu anderen LIB über eine höhere Leistungsdichte, was hohe Lade- und Entladeströme sowie eine erhöhte Impulsbelastbarkeit ermöglicht. Über höhere Ströme sind LFP-Zellen schnellladefähig. Zwar wird durch andauerndes Schnelladen die Lebenszeit der Zellen verkürzt, jedoch tritt dieser Effekt bei LFP-Zellen nur in geringem Maße auf. Die Ausgangsleistung von LFP-Zellen ist vergleichbar mit der von NMC-Zellen.

Durch intelligente Systemauslegung können im stationären Bereich kosteneffiziente Systemdesigns erstellt werden, die einen perfekten Trade-Off zwischen Lade- und Entladeströmen und Zyklenfestigkeit/Lebenszeit ermöglichen und die LCOS über Lebenszeit minimieren.

4. Breiteres thermisches Betriebsfenster

Insgesamt sind LFP-Zellen wesentlich unempfindlicher gegenüber Hitze und selbst der Einsatz bei Minus-Temperaturen ist möglich. Der Temperaturbereich handelsüblicher LFP-Zellen erstreckt sich hierbei von -30 bis 65 °C. Der Arbeitstemperaturbereich unserer LFP-Batterien ist bewusst auf -10 bis 55 °C spezifiziert: Einerseits ist bei extremen Minustemperaturen keine praktikable Ladung der Zellen mehr möglich. Andererseits erreichen die Zellen innerhalb eines Batteriepacks im Normalbetrieb bei einer Umgebungstemperatur von 55 °C aufgrund der Eigenerwärmung bereits eine Zelltemperatur von 65 °C und würden somit bei höheren Umgebungstemperaturen überlastet. Ein wichtiges Detail, das beim Produktvergleich von verschiedenen Zell- und Batteriepacks hinsichtlich der Temperaturangaben berücksichtigt werden sollte.

Der Arbeitstemperaturbereich kann je nach Lösung und Anwendung durch aktive Heizung oder Kühlung der Batteriezellen erweitert werden.

5. Umweltfreundlichkeit

LFP ist das einzige Kathodenmaterial, das in seiner chemischen Zusammensetzung auch als natürliches Mineral vorkommt und keine zusätzlichen Rohstoffe für die chemische Reaktion benötigt. In unseren Lösungen stecken dementsprechend weder Kobalt noch Nickel, die beide als giftige Schwermetalle gelten. Kobalt ist zudem ein potenzieller Konfliktrohstoff. Zwar dürfte in Europa verwendetes Kobalt häufig aus Kanada oder Australien stammen allerdings befindet sich ein großer Teil des Abbaus, gerade für chinesische Produktion im Kongo, wo der Rohstoff unter fragwürdigen Umständen abgebaut wird.

Zusätzlich wird das komplette in einer LFP-Zelle verbaute Lithium für die chemische Reaktion genutzt. Bei anderen LIB wird dahingegen nur ca. 50 – 60 % des verbauten Lithiums genutzt, da sich andernfalls Instabilitäten in der Schichtstruktur ergeben, oder der Rest in die kristalline Struktur der Kathode integriert sind. Dadurch senkt sich die benötigte Masse pro kWh von ca. 140 g (NMC / NCA) auf ca. 80 g (LFP).

LFP – die aktuell sicherste und beste Zell-Technologie für anspruchsvolle Anwendungen

Neben konventionellen Lithium-Ionen-Zellen auf Basis von Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) oder MNC hat sich insbesondere LFP als besonders robuste, sichere und langlebige Zellchemie etabliert. Mit einer bis zu 10-fach höheren Zyklenanzahl im Vergleich zu LCO/NMC und einer niedrigen Total Cost of Ownership (TCO) bieten LFP-Batteriespeicher optimale Langzeiteigenschaften mit geringem Wartungsaufwand und einem hohen Maß an Investitionsschutz und funktionaler Sicherheit. Aufgrund des breiten Betriebstemperaturenbereichs, der exzellente Zyklenfestigkeit, geringer Innenwiderstände und einem hohen Wirkungsgrad sind LFP-Batterien die beste Wahl für den anspruchsvollen Gebrauch in stationären und mobilen Anwendungen.

Da das Kathodenmaterial den größten Kostenpunkt in einer Batteriezelle ausmacht, hat es großen Einfluss auf die aktiven Kosten der Batteriezellen, -module und Batteriespeicheranlage. Durch eine zukünftig steigende Skalierung der LFP Produktionskapazitäten weltweit, werden die aktuell hohen Kosten für das LFP Kathodenmaterial zukünftig weiter sinken und somit auch einen Kostenvorteil gegenüber NMC realisieren.

Die AXSOL GmbH wurde schon 2016 für die Kombination der LFP Batteriechemie einer Leistungselektronik im tragbaren Format mit dem Bundespreis für innovatorische Leistung ausgezeichnet und nimmt damit eine Vorreiterrolle im Bereich der europäischen Batterieintegratoren ein.

LIB und insbesondere LFP-Batterien eigenen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte hervorragend für mobile und portable Anwendungen. Auch in Powertools und der Elektromobilität steigt der Marktanteil kontinuierlich. Durchzunehmende Ausbreitung stationärer Anwendungen wird die Batteriechemie auch immer mehr im Heim- oder Großspeicherbereich eingesetzt. Durch die Unabhängigkeit der AXSOL GmbH gegenüber Batteriezellherstellern, können wir (auch zukünftig) die jeweils beste, verfügbare Batteriechemie auswählen und unseren Kunden dauerhaft die besten Lösungen bieten. Durch die Möglichkeit des Technologieaustausches, gewährleisten wir unseren Kunden Zukunftssicherheit. So kann am Ende des Batterielebenszyklus auf eine neue, marktverfügbare Batterietechnologie gewechselt werden, ohne Leistungselektronik oder Steuerung austauschen zu müssen.

Quellen:

https://www.batterieforum-deutschland.de/infoportal/batterie-kompendium/sekundaere-batterie/metall-ionen-batterien/lithium-ionen-batterien/

https://sonnen.de/wissen/4-gruende-fuer-lithium-eisenphosphat-einem-batteriespeicher/

https://www.elektroniknet.de/power/energiespeicher/die-qual-der-wahl.170603.html

https://www.dke.de/resource/blob/933404/3d80f2d93602ef58c6e28ade9be093cf/kompendium-li-ionen-batterien-data.pdf

https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/photovoltaik/stromspeicher/lithium-eisen-phosphat https://nickelinstitute.org/blog/2020/june/battle-of-the-batteries-cost-versus-performance/

https://techcrunch.com/2021/07/30/a-tesla-megapack-caught-fire-at-the-victorian-big-battery-facility-in-australia/