Ein genauerer Blick auf Lithium-Eisenphosphat-Batterien, Teslas neue Batteriewahl

Aug 24, 2023

Während Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) bisher zugunsten von Li-Ionen-Batterien in den Hintergrund gedrängt wurden, könnte sich dies bei den Herstellern von Elektrofahrzeugen ändern. Teslas Q3-Bericht 2021 kündigte an, dass das Unternehmen plant, in allen seinen Fahrzeugen mit Standardreichweite auf LFP-Batterien umzusteigen.

Diese Nachricht spiegelt einen größeren Trend wider, dass LFP-Batterien in Elektrofahrzeugen (EVs) der nächsten Generation immer beliebter werden.

LFP-Batterien verwenden Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) als Kathodenmaterial sowie eine Graphit-Kohlenstoff-Elektrode mit metallischer Rückseite als Anode. Im Gegensatz zu vielen Kathodenmaterialien ist LFP eine Polyanion-Verbindung, die aus mehr als einem negativ geladenen Element besteht. Seine Atome sind in einer kristallinen Struktur angeordnet und bilden im Vergleich zu den 2D-Platten aus Nickel-Mangan-Kobalt ein 3D-Netzwerk aus Lithiumionen.

Die LFP-Batterie funktioniert ähnlich wie andere Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) und bewegt sich zum Laden und Entladen zwischen positiven und negativen Elektroden. Allerdings ist Phosphat im Vergleich zu Kobaltoxid oder Manganoxid ein ungiftiges Material. Darüber hinaus sind LFP-Batterien in der Lage, bei einem höheren Ladezyklus im Bereich von 2.000–3.000 eine konstante Spannung zu liefern.

LFP-Batterien bestehen aus mehr als nur verbundenen Zellen; Sie verfügen über ein System, das sicherstellt, dass die Batterie innerhalb sicherer Grenzen bleibt. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) schützt, steuert und überwacht die Batterie unter allen Betriebsbedingungen, um die Sicherheit zu gewährleisten und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Obwohl Lithium-Eisenphosphat-Zellen toleranter als Alternativen sind, können sie während des Ladevorgangs dennoch durch Überspannung beeinträchtigt werden, was die Leistung beeinträchtigt. Auch das Kathodenmaterial kann oxidieren und an Stabilität verlieren. Das BMS begrenzt jede Zelle und stellt sicher, dass die Batterie selbst auf einer maximalen Spannung gehalten wird.

Unterspannung ist ein Problem, da die Elektrodenmaterialien zerfallen. Das BMS ist in der Lage, eine Batterie vom Stromkreis zu trennen, wenn einer der Zellen einen zu niedrigen Wert aufweist. Es fungiert auch als Rücklaufsperre gegen Überstromzustände und unterbricht den Betrieb im Falle eines Kurzschlusses.

Die Energiedichte von LFP-Batterien ist geringer als die Alternative von Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) und sie haben eine niedrigere Betriebsspannung. Trotz dieser Herausforderungen sind die Vorteile von LFP-Batterien in Elektrofahrzeugen nicht zu leugnen.

LFP ist für seine niedrigen Kosten bekannt. Einige Schätzungen gehen davon aus, dass es pro Kilogramm bis zu 70 Prozent günstiger ist als nickelreiches NMC. Der Kostenvorteil ergibt sich aus seiner chemischen Zusammensetzung. Eisen und Phosphor werden auf der ganzen Welt in enormen Mengen abgebaut und in vielen Industriezweigen weit verbreitet.

Im Jahr 2020 lagen die niedrigsten gemeldeten Zellpreise für LFP-Batterien erstmals unter 100 US-Dollar/kWh. LFP-Batterien haben auch eine geringere Umweltbelastung; Sie enthalten kein Nickel oder Kobalt, da diese angebotsbeschränkt und teuer sind und größere Auswirkungen auf die Umwelt haben.

LFP-Batterien haben eine längere Lebensdauer als andere Lithium-Ionen-Batterien, da die Zellen langsamer an Kapazität verlieren. Aufgrund ihrer niedrigeren Betriebsspannung sind Zellen auch weniger anfällig für kapazitätsmindernde Reaktionen.

Mit einer konstanten Entladespannung und einem geringeren Innenwiderstand können LFP-betriebene Fahrzeuge schneller Strom liefern und eine höhere Lade-/Entladeeffizienz erreichen.

LFP ist thermisch und chemisch stabil und daher weniger anfällig für Explosionen oder Brände aufgrund von Missbrauch oder strukturellen Schäden. Bei Lithium-Kobaltoxid-Batterien kann es durch das Weglassen des Kobalts mit seinem negativen Temperaturkoeffizienten zu einem thermischen Durchgehen kommen.

LFP soll ein Sechstel der Wärme von nickelreichem NMC abgeben. Auch die Co-O-Bindung ist in LFP-Batterien stärker, sodass bei Kurzschlüssen oder Überhitzung Sauerstoffatome langsamer freigesetzt werden. Darüber hinaus verbleibt in voll geladenen Zellen kein Lithium, was sie im Vergleich zu den für andere Lithiumzellen typischen exothermen Reaktionen bei Sauerstoffverlust äußerst widerstandsfähig macht.

Obwohl LFP-Batterien billiger und stabiler sind als die Alternativen, ist die Energiedichte ein Schlüsselfaktor, der eine breite Einführung verhindert. Die Energiedichte von LFP-Batterien ist deutlich geringer als bei den Alternativen und liegt zwischen 15 und 25 Prozent. Dies beginnt sich jedoch mit dickeren Elektroden zu ändern, wie sie im in Shanghai hergestellten Modell 3 verwendet werden und eine Energiedichte von 359 Wh/Liter liefern.

Aufgrund der langen Lebensdauer verfügen LFP-Akkus nach etwa einem Jahr im Besitz tatsächlich über mehr Kapazität als Li-Ionen-Akkus mit ähnlichem Gewicht. Dies bedeutet, dass die Energiedichte dieser Batterien mit der Zeit vergleichbarer wird.

Ein weiteres Hindernis für die Masseneinführung besteht darin, dass eine Reihe von LFP-Patenten es China ermöglicht haben, den Markt zu dominieren. Da diese Patente auslaufen, gibt es Vorschläge, die LFP-Produktion zusammen mit der Fahrzeugherstellung zu lokalisieren.

Große Automobilhersteller wie Ford, VW und Tesla nutzen die Technologie zunehmend und ersetzen Nickel- oder Kobaltformulierungen. Die jüngste Ankündigung von Tesla in seinem vierteljährlichen Update ist nur der Anfang. Tesla hat außerdem ein kurzes Update zu seinem 4680-Akkupack gegeben, der eine höhere Energiedichte und Reichweite bieten wird. Es gab auch Spekulationen darüber, dass Tesla eine „Cell-to-Pack“-Konstruktion einsetzen wird, um mehr Zellen unterzubringen und die geringere Energiedichte auszugleichen.

Obwohl es sich um eine veraltete Technologie handelt, können LFP und die damit verbundene Reduzierung der Batteriekosten von entscheidender Bedeutung für die Beschleunigung der Masseneinführung von Elektrofahrzeugen sein. Es wird erwartet, dass die Li-Ionen-Preise bis 2023 bei etwa 100 US-Dollar pro Kilowattstunde liegen werden. LFPs könnten es Autoherstellern ermöglichen, Faktoren wie Komfort oder Ladezeit mehr Gewicht beizumessen als nur dem Preis allein.