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Wie gut sind Lithium-Eisen-Phosphat-Stromspeicher?

Was ist ein Lithium-Eisen-Phosphat-Akku? Wie ist der Akku aufgebaut? Wie funktioniert er? Welche Vor- und Nachteile bringt das Speichermaterial Lithium-Eisen-Phosphat?

Ein Lithium-Eisen-Phosphat-Akku (auch LEP-Akku) zählt zu den Lithium-Ionen-Akkus. Er hat eine Zellspannung von 3,2 /3,3 Volt (V). Als positive Elektrode dient Lithium-Eisenphosphat (Formelzeichen: LiFePO4), als negative Elektrode Graphit oder harter Kohlenstoff, worin Lithium eingelagert ist. Im Vergleich zu den sehr gängigen Stromspeicherbatterien mit Lithium-Cobalt-Elektrode hat der Lithium-Eisenphosphat-Akku eine geringere Energiedichte. Dafür geht er weniger thermisch durch, selbst bei mechanischen Beschädigungen.

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Charakteristische Eigenschaften von Lithium-Eisenphosphatakkus

Die Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4 oder LFP)-Batterie ist der sicherste der regulären Lithium-Eisen-Batterietypen. Die Nennspannung einer LFP-Zelle beträgt 3,2 V (Blei-Säure: 2 V/Zelle). Eine 12,8 V LFP-Batterie besteht daher aus 4 in Reihe geschalteten Zellen und eine 25,6 V Batterie besteht aus 8 in Reihe geschalteten Zellen.

12,8 Volt Lithium-Eisenphosphat-Batterien (Foto: Victron Energy)
12,8 Volt Lithium-Eisenphosphat-Batterien (Foto: Victron Energy)

Eine LFP-Batterie muss nicht voll aufgeladen sein. Die Betriebslebensdauer erhöht sich sogar noch leicht, wenn die Batterie anstatt voll nur teilweise aufgeladen ist. Darin liegt ein bedeutender Vorteil von LFP-Batterien im Vergleich zu Blei-Säure- Batterien.

Weitere Vorteile betreffen den breiten Betriebstemperaturenbereich, eine exzellente Zyklisierung, geringe Innenwiderstände und einen hohen Wirkungsgrad. Die LFP-Batterie ist daher die beste Wahl für den anspruchsvollen Gebrauch.

Allerdings beträgt die Energiedichte eines Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus nur 90 bis 110 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Lithium-Batterien mit LiCoO2-Kathode dagegen kommen auf fast die doppelte Energiedichte!

Brand- und Explosionsgefahr

Das Material Lithium-Eisen-Phosphat (auch: Lithium-Eisenphosphat) ist seit 1997 Bestandteil von Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ionen-Batterien). Es ersetzt das in herkömmlichen Lithium-Batterien weit verbreitete Lithium-Cobalt.

Anders als in den Lithium-Ionen-Zellen mit Lithium-Cobalt(III)-oxid (Formelzeichen: LiCoO2) kommt es während der chemischen Reaktion in Lithium-Eisenphosphat-Akkus nicht zur Freisetzung von Sauerstoff. Das soll der Grund für seine - im Vergleich zu Lithium-Ionen Akkus mit Lithium-Cobalt – angeblich geringere Neigung zum thermischen Durchgehen und ungünstigenfalls zur selbstständigen Entflammung der Zelle sein.

Laut Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gäbe es in Bezug auf die Entflammbarkeit „keine wesentlichen Unterschiede bei den unterschiedlichen Lithium-Ionen-Batterietypen“. Die wesentlichen Bestandteile der Lithium-Eisenphosphat-Batterien seien identisch mit den Elektrolyten der übrigen Li-Ionen-Batterien. Der Elektrolyt sei demnach eine leicht entzündliche organische Flüssigkeit, bzw. bei höheren Temperaturen ein leicht entzündliches Gas.

Im Falle eines Brandes einer Li-Ionen-Batterie brenne in der Regel zunächst das Elektrolyt, weil es leichtentzündlich sei. Dasselbe gelte für die Anode, die bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien ebenfalls aus Kohlenstoff oder Graphit sei, genauso wie bei den übrigen Lithium-Ionen Batterien. Im Brandfall stelle die Anode eine zusätzliche Brandlast dar. Einzig die Kathode von Lithium-Eisenphosphat-Akkus sei weniger brennbar im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen Batterien.

Expertenwissen: Als thermisches Durchgehen wird eine Überhitzung einer exothermen chemischen Reaktion oder einer technischen Apparatur bezeichnet, die wegen eines sich selbst verstärkenden und dabei thermische Energie erzeugenden Vorgangs geschieht. Das Durchgehen führt Großteils zur Zerstörung der Apparatur infolge des Überdrucks (Zerbersten) und in dessen Folge zu Brand oder Explosion.

Lithium-Anteil

Und das unterscheidet den Lithium-Eisenphosphat-Akku von denen mit konventionellem Kathodenmaterial LiCoO2: Der Lithium-Eisenphosphat-Akku nutzt den kompletten Anteil an Lithium, der in ihm steckt.

Anders dagegen arbeiten Akkus mit LiCoO2-Kathode: Sie verwenden lediglich 50 bis 60 Prozent des Lithiums. Andernfalls ergäben sich Instabilitäten in ihrer Schichtstruktur.

Bei Lithium-Mangandioxid-Akkus mit Li2Mn2O4-Kathoden lassen sich sogar nur 50 Prozent des vorhandenen Lithiums verwenden, da der Rest davon fest ins Kristall integriert ist.

In einer Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie lässt sich der Masseanteil an Lithium mit rund 4,5 Prozent Gewichtsprozent beziffern. Das heißt, dass man für eine Batterie mit einem typischen Energieinhalt von 1.000 Wattstunden (Wh) beim Lithium-Eisen-Phosphat-Akku nur etwa 11,3 Mol (mol) braucht, das entspricht 80 Gramm (g) Lithium, während es 20 mol bzw. 140 g beim Lithium-Cobalt- oder Lithium-Mangan-Akku wären.

Memory-Effekt

Anders als beispielsweise Nickel-Cadmium-Akkus tritt bei Lithium-Eisenphosphat-Akkus kaum ein sogenannter Memory-Effekt ein. Er ist während der Entladung sehr klein und im normalen Betrieb vernachlässigbar.

Der Memory-Effekt meint einen Kapazitätsverlust einer Batterie, wie er sich bei häufiger Teilentladung eines Akkus ergibt, beispielsweise eines Nickel-Cadmium-Akkus mit gesinterten Elektroden. Der Akku „merkt“ sich den Energiebedarf und liefert mit der Zeit anstelle der ursprünglichen Energie nur die bei den bisherigen Entladevorgängen benötigte.

Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd-Akku) und Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH) als Rundzellen (Foto: energie-experten.org)
Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd-Akku) und Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH) als Rundzellen (Foto: energie-experten.org)

Elektrisch macht sich der Memory-Effekt mit einem frühen Spannungsabfall bemerkbar. Für den Abnehmer der im Akku gespeicherten Energie heißt der Memory-Effekt eine kleinere nutzbare Kapazität, da für den Energieverbrauch Mindestspannungen vorausgesetzt sind. Fällt die Zellenspannung unter den Mindestbedarf, wird die Zelle gar unbrauchbar, gleichwohl sie weiterhin Strom liefern kann.

Lithium-Eisenphosphat-Akkus können demnach jederzeit zwischengelagert, entladen und geladen werden. Wobei gilt: Werden komplett geladene oder nahezu entladene Lithium-Eisenphosphat-Akkus über längere Zeit gelagert, verkürzt das ihre Lebenserwartung.

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Typischer Aufbau von Lithium-Eisenphosphat-Akkus

Lithium-Eisenphosphat-Akkus können Sie sowohl als Rundzellen als auch als Flachzellen kaufen.

Rundzelle (Rundbatterie)

LiFePO4-Rundzellen bekommen Sie insbesondere im einstelligen bis niederen zweistelligen Amper-Stunden(Ah)-Bereich, darunter auch Exemplare nach inoffiziellen Industriestandards für Rundzellenabmessungen, die Gerätebatterien ähneln.

Die Bezeichnung der Akku-Typen 18650 und 26650 beispielsweise beschreibt deren ungefähre Größe: 18650 entspricht einer Rundzelle mit etwa 18 Millimeter (mm) Durchmesser und 65 mm Länge. Daneben sind Rundzellen des Typs 38140 gängig (38 mm Durchmesser, 140 mm Länge). Sie bringen mit etwa 400 Gramm pro Zelle ein stattliches Gewicht auf die Waage und kommen mit einer sogenannten M6-Verschraubung an den Polen daher. Man setzt sie vor allem in der Industrie ein.

Flachzelle (Flachbatterie)

LiFePO4-Flachzellen sind für nahezu jede übliche Batterie-Kapazität erhältlich. Ihr Vertrieb erfolgt entweder als sogenannte Folienzelle oder als quaderförmiger Zellblock.

Folienzellen sind flache, mit Folie ummantelte Batterien, wobei ihre Bauform eigentlich nur ein mit größter Sorgfalt zu händelndes Zwischenprodukt

  • zum Konfektionieren von Akkupacks oder
  • zum direkten Einbau in ein Gehäuse

ist. Die typischen Baugrößen von Folienzellen reichen vom Milli-Ampere-Stunden(mAh)- bis in den zweistelligen Ah-Bereich.

In den oft als Einzelzellen bezeichneten, großen Quaderformen mit Kunststoffgehäuse und Schraubanschlüssen (Leistungsbereich: 20 bis 1.000 Ah) stecken mehrere, in einem gemeinsamen Gehäuse parallel zusammengefasste Folienzellen. Diese lassen sich so deutlich leichter händeln als reine Folienzellen, wobei angemerkt werden muss, dass es kaum genormten Abmessungen oder Rastermaße gibt.

Der größte chinesische Exporteur von Heimspeichersystemen ALPHA ESS stellt in Nantong City jeden Tag bis zu 50 Speichersysteme auf Basis von Lithium-Eisenphosphatzellen her. (Foto: ALPHA ESS Co., Ltd.)
Der größte chinesische Exporteur von Heimspeichersystemen ALPHA ESS stellt in Nantong City jeden Tag bis zu 50 Speichersysteme auf Basis von Lithium-Eisenphosphatzellen her. (Foto: ALPHA ESS Co., Ltd.)

Spezifische Spannungen des Lithium-Eisenphosphat-Akkus

Die konkreten Spannungen von Lithium-Eisenphosphat-Akkus variieren leicht in Abhängigkeit von

  • Zelltyp und
  • Hersteller.

Welche Spannung Sie für die jeweilige Anwendung erwarten können, das steht auf dem zugehörigen Datenblatt.

  • Die reguläre Ladeschlussspannung liegt zwischen 3,6 und 3,65 V. Schutzschaltungen gegen Überladung sprechen Großteils bei 3,8 V an.
  • Die typspezifische Entladeschlussspannung bewegt sich häufig um die 2,0 V, mitunter auch knapp darüber (um die 2,5 V.)

Bei Batterie-Ladungen zwischen 10 und 90 Prozent verändert sich die Zellspannung der Lithium-Eisenphosphat-Akkus

  • sowohl während des Aufladens
  • als auch während des Entladens kaum.

In den Bereichen des sogenannten Entladeschlusses und Ladeschlusses weisen die Lithium-Eisenphosphat-Akkus eine starke Spannungsreduktion (bei Entladung) bzw. einen starken Spannungsanstieg (bei Aufladung) auf.

Expertenwissen: Leicht reduzierte Ladeschlussspannungen (3,4 bis 3,5 V) und verringerte Entladetiefen sollen sich positiv auf die nutzbare Zyklen-Zahl und damit die Lebensdauer der Lithium-Eisenphosphat-Akkus auswirken.

Der Lithium-Eisenphosphat-Akku als Solarstrombatterie

Lithium-Eisenphosphat-Akkus bis 30.000 Amperestunde (Ah) kommen als Solarbatterie zum Einsatz. Dafür sollen unter anderem ihre Langlebigkeit, ihre Zuverlässigkeit und die Zahl der Be- und Entladungen von 10.000plus sprechen, die sie anstandslos über sich ergehen lassen und wobei sie noch immer 70 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung (Ausgangskapazität) bieten würden. Für ihre Verwendung zum Speichern umweltfreundlicher, regenerativer Sonnenenergie spreche zudem, dass in ihnen weder Nickel noch Kobalt, beides giftige Schwermetalle, stecken.

Fronius Solar Lithium-Eisenphosphat Batterie (Foto: Fronius International GmbH)
Fronius Solar Lithium-Eisenphosphat Batterie (Foto: Fronius International GmbH)
neoStore Lithium-Eisenphosphat-Stromspeicher (Foto: neovoltaic AG)
neoStore Lithium-Eisenphosphat-Stromspeicher (Foto: neovoltaic AG)

Wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit seien Lithium-Eisenphosphat-Akkus bei neuen stationären Speichern von Solarstrom prädestiniert. Daher betrug der Anteil von Lithium-Eisenphosphat-Stromspeichern gemessen an der Leistung in Megawatt aller geplanten Li-Ionen-Speicherkraftwerke bereits 39 Prozent.

Der PACADU Home Lithium-Eisenphosphat-Stromspeicher wird netzparallel betrieben, sodass lediglich die unter Umständen zusätzlich zum Speicherstrom benötigte Strommenge automatisch aus dem Netz beigemischt wird. (Foto: ASD Automatic Storage Device GmbH)
Der PACADU Home Lithium-Eisenphosphat-Stromspeicher wird netzparallel betrieben, sodass lediglich die unter Umständen zusätzlich zum Speicherstrom benötigte Strommenge automatisch aus dem Netz beigemischt wird. (Foto: ASD Automatic Storage Device GmbH)
FENECON Gewerbespeicher der Commercial 50-Serie mit langlebigen Lithiumeisenphosphat (LFP)-Batterien als Indoor- (links) und Outdoor-Version (rechts). (Fotos: FENECON GmbH)
FENECON Gewerbespeicher der Commercial 50-Serie mit langlebigen Lithiumeisenphosphat (LFP)-Batterien als Indoor- (links) und Outdoor-Version (rechts). (Fotos: FENECON GmbH)

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"Lithium-Eisen-Phosphat als Stromspeicher" wurde am 09.05.2019 das letzte Mal aktualisiert.