Li-Ion Vs. LiFePO4 - Mythen und Realität

Lithium-Ion Akkumulatoren sind eine Familie von unterschiedlichen, aufladbaren Akkumulatoren, bei denen die Kathode (Minus-Seite) auf Lithium basiert. Systematisch gehört auch die LiFePO4 zu der Familie. Während die meisten Li-Ion Akkus wie Li-Kobalt, Li-Mangan etc. eine Nennspannung von 3,6V – 3,7V haben, beträgt diese bei LiFePO4 3,2V-3,3V.

In diesem Beitrag fassen wir alle 3,6V-3,7V Akkuzellen als Li-Ion zusammen und betrachten LiFePO4 als eigenständiges Mitglied der "Familie".

Im Folgenden werden wir ein paar „Annahmen“ benennen und versuchen zu erläutern.

Sicherheit

Allgemein gilt, dass Li-Ion Akkus eine höhere Energiedichte im Vergleich zu LiFePO4 haben, d.h. man bekommt umgangssprachlich mehr Energie pro Einheitsgewicht (Gramm) oder weniger Gewicht pro vorgegebener Energie-Einheit (in Wh). Daraus resultiert auch die Annahme, dass LiFePO4 sicherer ist als Li-Ion. Diese Annahme ist aber nur bedingt zutreffend, denn sie bezieht sich lediglich auf die Grundeigenschaft der Akkuzellen bzw. der chemischen Zusammensetzung. Dennoch berücksichtigt diese Annahme nicht die Qualität der Fertigung. Wenn wir über die Fertigung sprechen, so meinen wir die Qualität der Baukomponenten wie Battery Management System (BMS), Verbindungsmaterial, Konstruktion, Kabel und mehr, mit denen ein Akkupack schließlich als Produkt auf den Markt gebracht wird. Ohne diesen wichtigen Aspekt fachmännisch bewerten zu können, bleibt die allgemeine Aussage, dass LiFePO4 sicherer ist als Li-Ion, unbegründet.

In diesem Bild sieht man das Ergebnis eines Brandes bei Fiat 126, bestückt mit LiFePO4 Akkus:

Lebensdauer

LiFePO4 hat per se eine höhere Lebensdauer, was die potentiellen kompletten Ladezyklen angehen. Man redet von einigen Tausenden unter bestimmten Bedingungen. Ein weiterer wichtiger Begriff in diesem Zusammenhang ist der sog. Alterungszustand, auch SOH (State of Health) genannt. Der Alterungszustand einer Akkuzelle beschreibt den irreversiblen Kapazitätsverlust mit der Zeit.

Die negative Beeinträchtigung einer Akkuzelle lässt sich also in zwei Hauptgruppen unterteilen, wie im folgenden Bild beschrieben:

  1. Kalendarische, altersbedingte Beeinträchtigung
  2. Verwendungsbedingte (Zyklen Zahl) Beeinträchtigung

Zahlreiche Unternehmen und Forschungseinrichtungen haben sich bereits mit diesem Thema auseinandergesetzt (Auflistung von Quellen im Anhang). Man versuchte den Alterungsprozess, unabhängig von der Degradierung, durch die Nutzung auseinanderzuhalten. Je nach Testbedingungen ist festzuhalten, dass der Alterungsprozess durchaus eine negative Beeinträchtigung an der Gesamtleistung ist.

Li-Ion Akkuzellen „leiden“ ebenfalls am Alterungsprozess. Allerdings spielt dieser eine niedrige Rolle, wenn der Akku von hochwertigen Akkuzellen gefertigt wird. Dabei sind Hersteller von Li-Ion Akkuzellen wie Samsung SDI, LG Chem, Panasonic (Sanyo) und Murata (Sony) die wichtigsten Akteure in diesem Bereich.

Qualität der Akkuzellen

Die meisten Hersteller von LiFePO4 Akkuzellen und LiFePO4 Akkusystemen kommen aus China. Neben sehr guten und hochpreisigen Produkten, befinden sich auch häufig minderwertige Produkte. Ohne Vorkenntnisse und Erfahrungen wird es dem Laien nicht einfach gemacht, vernünftige Qualität von schlechter Qualität zu unterscheiden.

Die Welt von Li-Ion Akkuzellen ist überschaubar. Die bereits erwähnten Hersteller sollten sie berücksichtigen. Vermeiden sie Akkus mit Akkuzellen unbekannten Ursprungs! Zum einen kann die Qualität nicht annährend so gut sein, wie bei den etablierten, bekannten Herstellern, zum anderen kann die allgemeine Produktsicherheit nur selten gewährleistet werden.

Battery Management System (BMS)

Neben der Qualität der Akkuzellen spielt die zentrale Steuerung des Akkus die wichtigste Rolle. Mittlerweile können Li-Ion Akkus durch den Einsatz von sog. Smart BMS´s (programmierbare BMS´s) ähnliche Ladezyklen erreichen wie bei LiFePO4. In solchen Fällen wird ab-Werk die Ladespannung runter gesetzt. Der Akku „verliert“ zwar an Energiemenge (Wh), „gewinnt“ aber an Ladezyklen.

Unsere Experimente mit der Akkuzelle INR18650-25R von Samsung SDI zeigten, dass, wenn wir die Akkuzelle bis auf 4,13V aufladen, wir ca. 10% Kapazität „verlieren“. Dennoch erreicht die Akkuzelle 1000 Ladezyklen. Bei einer Reduktion der Ladespannung bis auf 4,1V, „verliert“ die Akkuzelle ca. 15% der Kapazität, kann aber fast 1300 Ladezyklen erreichen. Dabei ist zu beachten, dass auch unter solchen Umständen die entnehmbare Energiemenge größer bleibt, als bei jeder vergleichbaren LiFePO4 18650 Akkuzelle.

Quellen

Batteriemessungen im Rahmen des Projekts AZE (Analysezentrum für Elektromobilität)

Untersuchung der Alterung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Elektroanalytik und elektrochemischer Impedanzspektroskopie

Calendar Aging and Lifetimes of LiFePO4Batteries and Considerations for Repurposing // John Catton

Accelerated aging and degradation mechanism of LiFePO4/graphite batteries cycled at high discharge rates

Aging of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles // Dipl.-Ing.Univ.Peter Keil

Tags: lifepo4, li-ion, akkus

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