mini|Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle (LiFePO4) mit einer Kapazität von 302 Ah
Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (Lithium-Ferrophosphat-Akkumulator, LFP-Akku) ist eine Ausführung eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit einer Zellenspannung von 3,2 bis 3,3 V. Die positive Elektrode besteht aus Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) anstelle von herkömmlichem Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2). Die negative Elektrode besteht aus Graphit mit eingelagertem Lithium. Ein solcher Akkumulator hat gegenüber dem Herkömmlichen eine geringere Energiedichte, neigt aber nicht zu thermischem Durchgehen, da der Sauerstofflieferant von Lithium-Cobalt(III)-oxid fehlt. Allerdings können bei Überhitzung, beispielsweise zur Folge mechanischer Beschädigungen, brennbare Gase aus dem Akkumulator austreten, die mit einer externen Flamme an Luft entzündbar sind.
Entwicklung und Funktion LiFePO4 wurde erstmals 1997 als Material für einen Lithium-Ionen-Akku vorgeschlagen.Phospho-olivines as Positive-Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries. A. K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy, and J. B. Goodenough, J. Electrochem. Soc., Volume 144, Issue 4, pp. 1188–1194 (April 1997) Es ersetzt das beim herkömmlichen Lithium-Akku eingesetzte Lithium-Cobalt(III)-oxid. Frühe LiFePO4-Elektroden litten unter geringer elektrischer Leitfähigkeit für Ionen und Elektronen, welche die Leistungsdichte hemmten. Die Leitfähigkeit konnte durch den Einsatz von LiFePO4-Nanoteilchen und die Beschichtung mit Kohlenstoff verbessert werden. Die Dotierung des LiFePO4 beispielsweise mit Yttrium- (LiFeYPO4) oder Schwefelatomen verbessert die technischen Eigenschaften ebenfalls.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen mit Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2), wird bei Lade- und Entladezyklen bei Nebenreaktionen, kein Sauerstoff freigesetzt. Dieser kann bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit Lithium-Cobaltoxid-Elektroden zum thermischen Durchgehen führen, was unter ungünstigen Bedingungen zum selbstständigen Entflammen der Zelle führt und nicht vom Sauerstoffgehalt der Umgebung abhängig ist.
Im Vergleich zu den konventionellen Elektrodenmaterialien wie LiCoO2 wird im Lithium-Eisenphosphat-Akku der gesamte Lithiumanteil genutzt. Bei Akkus mit LiCoO2-Elektrode wird nur 50–60 % des Lithiums verwendet, da sonst die Schichtstruktur instabil würde. Bei Verwendung von Li2Mn2O4-Elektroden kann nur 50 % des vorhandenen Lithiums genutzt werden, der Rest ist fest im Kristall eingebaut.
Der Masseanteil von Lithium in LiFePO4 beträgt ca. 4,5 % Gewichtsprozent. Für einen Akkumulator mit einem Energieinhalt von 1000 Wh werden beim Lithium-Eisen-Phosphat-Akku nur ca. 11,3 mol (≈ 80 g) Lithium benötigt, gegenüber ca. 20 mol bzw. 140 g beim Lithium-Cobalt- oder Lithium-Mangan-Akkumulator. Die Energiedichte von Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren erreicht 210 Wh/kg. 2015 lag sie noch bei etwa 140 Wh/kg.
LiFePO4-Akkumulatoren kennen keinen Memory-Effekt wie beispielsweise der Nickel-Cadmium-Akkumulator. Eine so bezeichnete Anomalie während der Entladung ist sehr klein und im normalen Betrieb unbedeutend. LiFePO4-Zellen können jederzeit zwischengelagert, entladen und geladen werden. Nur im vollständig geladenen und nahezu entladenen Zustand sind längere Lagerzeiten der Lebenserwartung abträglich.
Renaissance Die Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit NMC-Kathodenmaterial waren bei Elektroautos des 21. Jahrhunderts lange führend, da sie eine vergleichsweise hohe Energiedichte aufweisen. Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial war ein Nischenprodukt, wenn die Batterie klein konzipiert wurde.
In den 2020er-Jahren wurden bedeutende Fortschritte mit Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren bekannt. Insbesondere für den Bereich der Automobiltechnik wurden Entwicklungen vorangetrieben und zur Anwendungsreife gebracht.Heise: Eisen statt Kobalt und Nickel: LFP-Akkus sollen für billigere E-Autos sorgen, 23. Februar 2023, eingesehen am 10. Januar 2024.Christoph M. Schwarzer: Mit dem LFP-Akku beginnt die chinesische Eisenzeit, 7. April 2022, eingesehen am 10. Januar 2024. So erreichte man 2020 auf Zell-Ebene 200 Wh/kg, 2021 auf Zell-Ebene 210 Wh/kg, und kündigte für 2023 dann 230 Wh/kg bis 260 Wh/kg an. Mit dem Übergang zu Cell-to-Pack ab 2022 erhöhte sich auch die relative Energiedichte. Schon Ende 2022 lag der Anteil der LFP-Zellen bei Elektroautos bei 31 Prozent. Manganreiche LFP-Varianten, siehe LMFP, steigern nochmal die Zellspannung und damit die Energiedichte, die ab 2023 am Markt verfügbar wurden. 2023 waren die LFP im Durchschnitt 32 Prozent günstiger als die NMC-Akkumulatoren.
Eigenschaften Spannungsbereich der Zelle mini|hochkant=1.4|Spannungsverlauf bei Ladung und Entladung an einer LiFePO4-Zelle. Typisch die über einen weiten Ladungsbereich kaum veränderliche Zellspannung
Die genauen Spannungen differieren leicht zwischen den Zelltypen und Herstellern, im Anwendungsfall sind sie dem jeweiligen Datenblatt zu entnehmen. Die Ladeschlussspannung liegt in der Regel bei 3,6–3,65 V. Die Schutzschaltungen gegen Überladung sprechen meist bei 3,8 V an.Gaia GmbH: , eingefügt am 14. März 2012.
Die Entladeschlussspannungen sind je nach Typ verschieden und liegen meist bei 2,0 V, bei manchen Typen auch knapp darüber im Bereich um 2,5 V. Im Bereich der Ladung von 10 % bis 90 % zeigen die Zellen sowohl bei Aufladung als auch bei Entladung nur eine geringe Veränderung der Zellspannung, wie im nebenstehenden Diagramm mit der Zellspannung als Funktion der Ladung für eine LiFePO4-Zelle mit einer Nennkapazität von 2,3 Ah dargestellt. Im Bereich des Entladeschlusses, im Diagramm das Ende im Verlauf der roten Linie im rechten Bildbereich, und im Bereich des Ladeschlusses, im Diagramm das Ende im Verlauf der grünen Linie im rechten Bildbereich, ist eine starke Spannungsreduktion (bei Entladung) bzw. ein starker Spannungsanstieg (bei Aufladung) vorhanden. Leicht reduzierte Ladeschlussspannungen (3,4–3,5 V) und verringerte Entladetiefen wirken sich positiv auf die nutzbare Zyklenanzahl und damit die Lebensdauer aus.
Bauformen Es gibt nur wenige genormte Bauformen. Grundsätzlich lassen sich Rundzellen und Flachzellen unterscheiden. Rundzellen werden vor allem mit Ladekapazitäten bis zum unteren zweistelligem Amperestunden-Bereich angeboten. Es finden sich darunter auch Bauformen, die inoffiziellen Industriestandards für Rundzellenabmessungen entsprechen und Gerätebatterien ähneln. Es werden beispielsweise öfter Akkus der Typen 18650 und 26650 benutzt, deren Typbezeichnung die ungefähre Größe widerspiegelt, so bedeutet 18650 ca. 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge, 26650 ist etwa 26 mm im Durchmesser und ungefähr 65 mm lang. Außerdem existieren auch Zellen des Typs 38140, diese sind 38 mm im Durchmesser und ca. 140 mm lang. Das Gewicht beträgt um die 400 Gramm pro Zelle und hat eine M6-Verschraubung an den Polen. Benutzt werden diese Zellen vorwiegend in der Industrie. Flachzellen sind für fast alle Kapazitätsgrößen verfügbar. Sie werden in Form von Folienzellen und quaderförmigen Zellblöcken vertrieben. Erstere werden in Form von flachen mit Folie ummantelten Zellen produziert und auch als Folienzellen bezeichnet. Diese Bauform ist jedoch nur ein mit Sorgfalt zu behandelndes Zwischenprodukt zur Konfektionierung von Akkupacks oder zum direkten Einbau in ein Gehäuse. Baugrößen reichen vom mAh-Bereich bis in den zweistelligen Ah-Bereich. Die häufig als Einzelzellen bezeichneten großen Quaderformen mit Kunststoffgehäuse und Schraubanschlüssen (Bereich ca. 20–1000 Ah) bestehen aus mehreren, in einem gemeinsamen Gehäuse parallel zusammengefassten Folienzellen. Sie sind so wesentlich einfacher zu handhaben als reine Folienzellen, jedoch gibt es auch hier keine genormten Abmessungen oder Rastermaße.
Anomalie in der Ladespannungskurve Im Verlauf der Ladespannungskurven von LiFePO4-Akkumulatoren können kleine Verschiebungen zu höheren Spannungen auftreten, deren Position vom vorherigen Ladezustand abhängt. Dieser Effekt von kleinen Abweichungen im Spannungsverlauf um wenige Millivolt im Vergleich zum vollständigen Laden und Entladen wurde wegen der Abhängigkeit von der Vorgeschichte von den Entdeckern als „Memory-Effekt“ bezeichnet. Der Effekt ist durch den Phasenübergang einzelner Partikel des Aktivmaterials bedingt und tritt nach bisherigen Erkenntnissen ausschließlich bei LiFePO4-Elektroden und ähnlichen Olivingruppen auf. Er ist nicht mit dem bekannten Memory-Effekt bei NiCd- und NiMH-Akkumulatoren vergleichbar. Er kann ab der ersten Entladung auftreten, ist zeitlich begrenzt und durch Aufladen des Akkus umkehrbar. Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Akkumulators werden durch die Anomalie nicht direkt beeinträchtigt, allerdings könnte der Effekt dazu führen, dass eine ausschließlich auf Spannungsmessungen beruhende Ladestandsanzeige verfälscht wird.ZeitOnline, 16. April 2013, Jens Ihlenfeld: Lithium-Ionen-Akkus haben doch einen Memory-Effekt. aufgerufen am 7. Mai 2022.
Vor- und Nachteile mini|LiFePO4-Rundzellen und Verbinder für individuelle Akkupacks (9-Ah-Version) LiFePO4-Akkumulatoren besitzen gegenüber Bleiakkumulatoren in Bezug auf Zyklenfestigkeit, Baugröße, Kapazität und Gewicht deutliche Vorteile, Nachteil ist der höhere Anschaffungspreis von LiFePO4-Akkumulatoren im Vergleich zu elektrisch gleichwertigen Lösungen mit Bleiakkus. Hinzu kommen die Balancer, welche bei Bleiakkus nicht nötig sind.
Die folgende Liste bezieht sich insbesondere auf die Unterschiede zu den verbreiteten Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2)-Zellen.
Vorteile Hohe Ladeströme möglich (0,5 C – 4,5 C), Impulsladeströme bis 6 C (10 s)Winston Battery: , eingefügt am 3. Februar 2012 (englisch). (die Laderate C gibt an, wie viel Ampere im Vergleich zur Akkukapazität fließen; z. B. wären 2 C bei einem 50-Ah-Akku ein Strom von 100 A) Teilweise hohe Leistungsdichte, mit Dauerströmen von 20 C und Impulsbelastbarkeit bis zu 50 C Hohe Zyklenfestigkeit: I) Sony Fortelion: 74 % Restkapazität nach 8000 Zyklen mit 100 % Entladungsgrad (DoD) II) noch 80 % ursprüngliche Kapazität (nominal capacity, NC) nach 1000 Zyklen und 60 % Kapazität nach 2000 Zyklen. Erzielt wurden ebenfalls in zylindrischen (18650) Zellen >85 % Restkapazität nach 10.000 Zyklen mit 100 % DoD. Andere Hersteller geben mehr als 5000 Zyklen bei jeweiliger Entladung auf 70 %3xe-electric-cars.com: (englisch) (Depth of Discharge, DoD) an und 10.000 Zyklen bei minimaler Entladung auf lediglich 90 %GWL-Power: Winston 90Ah über 10.000/13.000 Zyklen, (PDF; 714 kB), abgerufen am 11. Juni 2024 (englisch)., dadurch lange Lebensdauer und günstige Betriebskosten. Hoher elektrischer Wirkungsgrad für einen Gesamtzyklus aus Ladung und Entladung von > 91 % Flaches Spannungsprofil bei Ladung und Entladung Geringere Empfindlichkeit auf Tiefentladung Weiter Temperaturbereich für Lagerung (Üblicher Bereich: −15 bis +60 °C). Praktische Erfahrungen zeigen, dass eine Nutzung ab ca. +10 °C aufwärts problemlos möglich ist, bei Temperaturen unter +10 °C führt eine hohe Stromentnahme über 0,5 C (Traktionsanwendung) zu stärkeren Spannungseinbrüchen, jedoch ohne merklichen Kapazitätsverlust der Batterie. Durch spezielle Zusätze wie Yttrium an der negativen Elektrode können auch größere Temperaturbereiche von −45 bis +85 °C im Betrieb erzielt werden. Akkus mit erweitertem Temperaturbereich über 60 °C werden als LYP-Akkus bezeichnet und entsprechen nicht den hier im Artikel beschriebenen LFP-Akkus Die Selbstentladung wurde durch Dotierung verringert und ist mit ca. 3–5 % pro Monat niedrig Bessere Umweltverträglichkeit und Ressourcenschonung durch den Verzicht auf Kobalt
Nachteile Aufgrund des flachen Spannungsverlaufs wird die Bestimmung des Ladezustands erschwert. Wie bei allen Lithium-Ionen-Akkus sind für einen sicheren Betrieb Balancerschaltungen und Batteriemanagementsysteme notwendig, da diese Zellen nicht überladefest oder tiefentladefest sind.
Austauschbarkeit mit anderen Akkutypen