LiFePO4 Wahrheit und Mythen

Vorwort

Diesen Beitrag haben wir für Sie aus mehreren Quellen zusammengefasst. Es ist keine wissenschaftliche Arbeit und daher verweisen wir auf keine Quellen, es ist mehr eine Art Beitrag zur Aufklärung, mit dem Ziel, Ihnen mehr Verständnis über diese Akku-Technologie zu verschaffen. Haben Sie Kritik, Anregung, Korrektur- und / oder Ergänzungsvorschläge, fühlen Sie sich frei, sich damit an uns zu wenden.

Allgemein

1996 entdeckten Forscher an der „University of Texas“ (mit anderen Mitwirkenden) Phosphat als Kathodenmaterial für wieder aufladbare Lithium-Akkumulatoren. LiFePo4 kann eine gute elektrochemische Leistung bei geringem Widerstand bieten. Die Hauptvorteile dieser „Lithium-Technologie“ sind eine hohe Strombelastbarkeit (Entlade- und Ladeströme), eine lange Lebensdauer (Ladezyklen) eine gute Wärmestabilität und bessere Sicherheit im Vergleich zu den herkömmlichen Li-Ion Technologien. Das Thermische Durchgehen (Thermal Runaway) tritt erst bei ca. 270°C auf.

Zu den Hauptnachteilen gegenüber Li-Ion zählen die niedrige nominale Spannung (3,2V), die geringere Energiedichte, die höhere Selbstentladung und die Empfindlichkeit zu Kälte.

In der Praxis werden LiFePo4 Akkus häufig als Ersatz für Bleiakkus verwendet, denn die Reihenschaltung von 4 Akkuzellen mit jeweils 3,2V ergeben mit 12,8V eine ähnliche Spannung, wie 12V Bleiakkumulatoren

LiFePO4 Vs. Bleiakkus

LiFePO4-Akkus haben in Bezug auf Zyklenfestigkeit (Lebensdauer), Dimensionen, Energiedichte und Gewicht deutliche Vorteile gegenüber verbreiteten Bleiakkumulatoren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Bleiakkumulatoren, können LiFePO4 nahezu komplett entladen werden, ohne dabei großartige Spannungseinbrüche zu erleiden. Während ein Bleiakku ca.die Hälfte seiner Nennkapazität abgeben kann, ist die Nennkapazität eines LiFePO4 Akkus nahezu auch die reale entnehmbare Kapazität.

Ferner kennzeichnet sich der LiFePO4-Akku durch eine vergleichbare lange Lebensdauer. Die Enerpower Akkus können 2000 komplette Ladezyklen ohne kaum Verlust an Kapazität und an Spannung erreichen (DOD 100%).

DOD steht for “Depth of Discharge” und bedeutet übersetzt eine Entladungstiefe. Da LiFePo4 Akkus kein Memory-Effekt haben, müssen sie nicht vollständig „leer gefahren“ werden. Schaltet Ihr Verbraucher (Gerät) vor der Entladeschlussspannung des Akkus ab, so „gewinnen“ Sie an Lebensdauer. Wer bspw. einen 12V Akku(12,8V) lediglich bis ca. 11,8V entlädt (ca. 50% Entladungstiefe), kann mit seinem Akku sogar bis 10000 Ladezyklen erreichen.

 

Ein Akku ist ein Gebrauchs- und Verbrauchsprodukt. Im Laufe der Verbrauchszeit verliert der Akku an Kapazität. Einen normalen Verlauf sieht man in der oberen Skizzierung.

Im Vergleich zu Bleiakkus sind LiFePo4 sehr empfindlich gegenüber Überladung, und die abgegebenen Ströme (Entladeströme) hängen vom eingebauten BMS (Battery Management System) ab.

Auch in Bezug auf Temperatur ist der LiFePo4, nicht wie oft suggeriert, ziemlich empfindlich. Auch wenn häufig anderes behauptet wird, beeinträchtigt die Kälte LiFePo4 mehr, als die herkömmlichen Li-Ion Akkus. In Raumtemperatur hat der LiFePo4 Akku seine optimale Umgebung. Je kälter das Umfeld des Akkus, desto größer sind die Einbußen in Bezug auf Spannungslage und Kapazität.

Anwendungen

LiFePo4 Akkus lassen sich fast überall dort anwenden, wo bisher Blei-Akkus benutzt wurden. Ob kleine und große Solaranlagen, Wohnwagen, Motoren, USV-Systeme (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) oder medizinische Geräte, LiFePo4 Akkus können leicht die herkömmlichen Bleiakkus ersetzen. Auch kleine Geräte wie Echolot, Messgeräte, Spielzeuge etc. können mit solchen Akkus länger betrieben werden.

Die Auswahl der richtigen Anwendungen hängt von der Fähigkeit eines LiFePo4 Akkus ab, die Ausgangsströme abzugeben. Dies wird durch das BMS (Battery Management System) gesteuert.

Je weniger Ströme (C-Rate) abverlangt werden, desto robuster und langlebiger ist der Akku. Daher ist der LiFePo4 mit seiner fast gleichbleibenden Spannungslage bestens als Ersatz für USV-Systeme geeignet. Der C-Faktor, auch als C-Rate bekannt, ist eine umgangssprachliche Quantifizierung für Lade- und Entladeströme für Akkumulatoren. Mit diesem Wert können beispielsweise die maximal zulässigen Lade- und Entladeströme, abhängig von der Nennkapazität, angegeben werden. Ein Akku mit 10Ah wird bspw. bei 0,2C Entladerate mit 10 x 0,2 = 2 Ampere entladen. Bei 0,5C Entladerate sind das 5 Ampere und bei 1C Entladerate 10 Ampere.

Sind LiFePO4 Akkus teuer?

Häufig werden die Anschaffungspreise von LiFePo4 als ein Nachteil gegenüber Bleiakkus gesehen. Das stimmt nur bedingt, denn in vielen Anwendungen, bei denen die Bleiakkus schnell erschöpfen, ist der LiFePO4-Akku sogar kostengünstiger. Die lange Lebensdauer von weit über 2000 Lade- und Entladezyklen lässt den Preis pro Wh weit unter dem Preis pro Wh bei Blei-Akkus über die Zeit liegen.

Um dies zu demonstrieren, werden wir 2 Akkus 12V mit jeweils 12Ah für die Verwendung bei einem Verbraucher mit ähnlicher Spannungslage vergleichen.

Der LiFePO4 hat ca. 144Wh reale nutzbare Energiemenge, die über 2000 Ladezyklen abrufbar ist. Dieser Akku hat in seiner Lebensdauer 288 kWh Energie.

Der herkömmliche Bleiakku kann ca. 300 Ladezyklen erreichen und kann nur zu 60% real entladen werden. Mit ca. 90Wh x 300 Ladezyklen wird dieser Akku lediglich 27 kWh leisten können. Der LiFePo4 hat also 10mal so viel Energie während seiner Lebensdauer und „darf“ dementsprechend 10mal so viel kosten.

BMS – ohne geht es nicht

Das BMS (Battery Management System) ist die wichtigste Komponente in einem LiFePo4 Akku, denn diese Steuerung schützt nicht nur gegen Überladung und Tiefentladung, sondern grenzt auch die entnehmbaren Ströme (in Ampere ausgedrückt) ein. Man redet von einem Schutz gegen Überentladung.

Eine weitere wichtige Funktion ist das sogenannte Balancing der Akkuzellen. Damit ein Akku langlebig und leistungsgleich bleibt, müssen alle eingebauten Akkuzellen im Akku so homogen wie möglich über die Zeit bleiben. Die Akkuzellen im Akkupack müssen also eine ähnliche Spannungslage zu jeder Zeit ausweisen.

Die letzte Funktion ist die Temperaturüberwachung. Während der Ladevorgänge und Entladevorgänge erwärmen sich die Akkuzellen. Die Temperaturüberwachung sorgt dafür, dass die Akkuzellen nicht zu warm werden und dadurch ihre Leistungsfähigkeit verlieren.

Ist jeder LiFePO4 Akku derselbe?

LiFePo4 Akkus werden mit LiFePo4 Akkuzellen gefertigt. Hersteller von LiFePo4 Akkuzellen gibt es mittlerweile wie Sand am Meer (die kommen vorwiegend aus China).

Der Unterschied zwischen verschiedenen Akkus besteht also aus mehreren Faktoren wie bspw.:

1. Die Qualität der eingebauten Akkuzellen
2. Die Qualität der Steuerung (BMS)
3. Die Qualität der Fertigung

Wir, bei Enerpower, arbeiten zusammen mit Heter Electronics Group, einer der führenden Hersteller von LiFePo4 Akkuzellen und Akkusysteme weltweit. Alle bei uns eingebauten Akkuzellen sind UL zertifiziert, sowie einige Akkusysteme.

Welche Arten von LiFePo4 Akkuzellen gibt es?

Die Akkuzellen sind das „Speichermaterial“ eines Akkus. Verbindet man diese in Reihe (Serial), so steigt die Spannung. Verbindet man die Akkuzellen in Parallel, so steigt die Kapazität.

In 12V (12,8V) Akkumulatoren LiFePo4 werden 4 Akkuzellen in Reihe geschaltet. 4 x 3,2V (Nennspannung) = 12,8V

In der Praxis haben sich grob 3 Arten von Akkuzellen etabliert:

1. Zylindrische Akkuzellen -  bekannt auch als Rundzellen. Solche Akkuzellen gibt es in verschiedenen Größen. Am häufigsten sind die Formate 18650 und 26650 (26 mm Diameter, 65 mm Länge).
   
2. Pouch-Zellen – Die Pouch-Zellen sehen wie Li-Polymer Akkuzellen aus. Der Vorteil bei diesen Akkuzellen ist, dass man sie in verschiedenen Dimensionen leicht produzieren kann. Ihr größter Nachteil ist in der Regel die schlechtere Qualität
   
3. Prismatische Akkuzellen – diese Art von Akkuzellen findet man in Zwei Variationen:
   a. als ein Kunststoff-Gehäuse, in dem mehrere Rundzellen (zylindrische Akkuzellen) in Parallel geschaltet werden
   
   b. als einzelne Blöcke:
   

 

Wie erkenne ich, ob ein Akku eine gute Qualität hat?

Mit dieser Frage werden wir häufig konfrontiert und die Antwort auf diese Frage ist nicht leicht zu beantworten. Der LiFePo4 Akku wird häufig in einem versiegelten Gehäuse aus Kunststoff gefertigt. Die Öffnung des Gehäuses, ohne dies zu beschädigen, ist kaum möglich.

Auch andere Gehäuse-Systeme mit Schrauben lassen sich zwar öffnen, werden aber dem Laien ohne Messgeräte und/oder fachmännische Kenntnisse über die eingebauten Akkuzellen kaum etwas verraten können.

Wir empfehlen daher, die Kaufentscheidung anhand von Indizien zu begründen. Diese Argumente listen wir hiermit auf:

Verkäufer

• Kaufen Sie von Fachspezialisten, die sich mit dem Thema Akkumulatoren und Ladetechnologien nachweislich auskennen. Vermeiden Sie Anbieter, die sich nicht auf den Verkauf von Akkumulatoren spezialisieren.
• Achten Sie auf die technische Beschreibung des Produktes. Verkäufer, die ihre Produkte gut kennen, sollten wichtige Merkmale des Produktes beschreiben und ggf. beraten.
• Vorsicht beim Erwerb außerhalb der EU! In diesem Fall gelten sie als Importeur und tragen eine persönliche Haftung für etwaige Schäden an Dritten. Ferner verlieren sie dadurch jegliche Verbraucherrechte wie Rückgaberecht, Gewährleistung etc.

Produkt

• Vergleichen Sie die Eigenschaften von ähnlichen Produkten. Achten Sie darauf, dass das Produkt fachmännisch beschrieben wird. Achten Sie insbesondere darauf, dass keine Fantasiewerte beworben werden wie bspw. Kapazität, Leistung des BMS etc.
• Achten Sie auf gravierende Preisunterschiede zwischen verschiedenen Anbietern. Wenn ein Produkt verdächtig kostengünstig erscheint, sollten Sie aufmerksam werden.
• Achten Sie auf gravierende Unterschiede der erworbenen Eigenschaften wie Gewicht Vs. Kapazität. Häufig wird mit dem Wert der Kapazität übertrieben, denn viele Verkäufer wissen wie schwer es ist, ohne Messinstrumente die Kapazität zu berechnen. Dabei hilft das Gewicht des Akkus als Indiz. In der Regel haben LiFePo4 Akkus eine Netto Energiemenge von ca. 90Wh – 110Wh pro 1000 Gramm Material (Gehäuse, BMS, Kabel und Verschweiß Material sind nicht berücksichtigt und können je nach Ausführung zwischen 300 und 700 Gramm wiegen). Ein 12V Akku mit 100Ah hat 1280Wh und darf aus unserer Erfahrung zwischen 12,50 Kg. und 15 Kg. schwer sein.

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  Quellen

• Battery university https://batteryuniversity.com/
• wikipedia.com
• Heter
• Coslight
• Eigene Erfahrungen