Im Jahr 2023 stieg Chinas Lithiumeisenphosphat-Produktionskapazität aufgrund der neuen Energiefahrzeuge und Energiespeicher-Lithiumbatterien, die zwei nachgelagerte Industrien erfordern, an: 1.18 Millionen Tonnen im Juni 2022, im Juni 2023 waren es 2.47 Millionen Tonnen, ein Wachstum gegenüber dem Vorjahr von 110 %.
Das Angebot bzw. die Nachfrage nach Lithium-Eisenphosphat-Batterien auf dem Markt ändert sich ständig, die Lifepo4-Batterie gewinnt nach und nach an Bedeutung und Anwendung. Schauen wir uns also genauer an, was ausmacht LiFePO4-Batterien eine außergewöhnliche Wahl für ein breites Anwendungsspektrum.
Einführung in die LFP(LiFePO4)-Batterie
Lithium-Eisenphosphat-Batterien werden auch LiFePO4- oder LFP-Batterien genannt. Der Batteriename wird üblicherweise nach dem positiven Elektrodenmaterial bestimmt, während die negative Elektrode üblicherweise aus Graphit besteht. Bei ternären Batterien wird beispielsweise als positives Elektrodenmaterial NCM oder NCA verwendet, bei Lithium-Kobalt-Säure-Batterien wird als positives Elektrodenmaterial Lithium-Kobaltsäure verwendet, und Lithium-Eisenphosphat bezeichnet die positive Elektrode aus Lithium-Eisenphosphat-Material.
Diese Tabelle zeigt die Spezifikationen einer LiFePO4-Batteriezelle.
| Zellspezifikation | LiFePO4-Akku |
| Nennspannungen (V/Zelle) | 3.2V |
| Arbeitsspannung (V/Zelle) | 3.0-3.3V |
| Energiedichte (WH/kg) | 175 Wh / kg |
| Lade-C-Rate-Bereich (C) | 0.5–1.5 °C, 1 °C typisch |
| Entladungs-C-Rate (C) | 2-10C |
| Mindestentladespannung | 2.5V |
| Maximale Ladespannung | 3.65V |
| Zykluslebensdauer (1C) | ≥ 2000 (entsprechend realistischen Situationen) |
| Arbeitstemperaturbereich | -50 ~60 ℃ |
| Temperatur des thermischen Durchgehens | 500℃ |
Die LiFePO4-Batterie ist eine Olivinstruktur von LiFePO4 als positive Elektrode der Batterie, die durch eine Aluminiumfolie mit der positiven Elektrode der Batterie verbunden ist. In der Mitte befindet sich eine Polymermembran, die die positive Elektrode von der negativen Elektrode trennt. Li+ kann sich jedoch frei bewegen, das Elektron e- jedoch nicht. Die negative Elektrode der Batterie befindet sich rechts und besteht aus Kohlenstoff (Graphit) und ist über eine Kupferfolie mit der negativen Elektrode der Batterie verbunden. Der Elektrolyt der Batterie ist hermetisch von einer Metallhülle umschlossen, die mit CNC Präzision und befindet sich zwischen dem oberen und unteren Ende.
Wenn der LiFePO4-Akku geladen wird, wandert das Lithium-Ion Li+ in der positiven Elektrode durch die Polymermembran zur negativen Elektrode; Beim Entladen wandert das Lithium-Ion Li+ über das Diaphragma von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Im Allgemeinen beträgt die Nennspannung der LiFePO4-Batterie 3.2 V, die Abschlussladespannung 3.6 V und die Abschaltspannung 2.0 V.
Der LiFePO4-Akku verfügt über 2000 Lebenszyklen mit einer Lade- und Entladerate von 1C. Außerdem explodiert der Durchstoßtest nicht und die Überladung ist nicht leicht zu verbrennen und zu explodieren. Die Sicherheitsleistung und die Lebensdauer bieten größere Vorteile. Das LFP-Kathodenmaterial erleichtert die Parallel- und Reihenschaltung von Lithiumbatterien mit hoher Kapazität. Vom Prinzip des Materials her handelt es sich bei Lithiumeisenphosphat auch um eine Art Einbettungs- und Ausbettungsprozess, dieses Prinzip ist identisch mit LiCoO2 und LiMn2O4.
Was sind die verschiedenen Arten von LiFePO4-Batterien?
Der LiFePO4-Batterietyp weist je nach Kernverpackung unterschiedliche Ausdrucksformen auf. Der Kern ist hauptsächlich in drei Arten unterteilt: zylindrisch, weich verpackt und quadratisch.
Zylindrischer LiFePO4-Batterietyp
Die gängigen Modelle A, AA, AAA, C, D, F usw. für zylindrische Batterien und zylindrische LiFePO4-Batteriemodelle sind am häufigsten. Die am weitesten verbreitete Spezifikation sind dagegen 18650-Modelle, Batterieausdrucksformen: ICR18650, 3.2 V, 2800 mAh. 18650 stellt die Außengröße der Batterie dar: 18 bezieht sich auf den Batteriedurchmesser von 18.0 mm und 650 bezieht sich auf die Batteriehöhe von 65.0 mm. Aufgrund der Unterschiede im Niveau und Modus des Produktionsprozesses der Hersteller lässt die Größe einen bestimmten Spalt zu, der Spalt beträgt ± 0.02 mm.
Beutel Weicher LiFePO4-Batterietyp
Beutel-LFP-Batterien können in einer größeren Auswahl an Erscheinungsbildern dreieckig, quadratisch, rund, gebogen usw. sein. Daher wird das Beutel-LFP-Batteriemodell komplex und vielfältig sein. Verschiedene Hersteller haben unterschiedliche Modellspezifikationen, sodass es sich bei diesem Batterietyp meist um kundenspezifische Zellenbatterien handelt. Die Nennspannung beträgt jedoch ebenfalls 3.2 V, was auf die Materialeigenschaften der Lithium-Eisenphosphat-Batterie zurückzuführen ist.
Prismatischer LiFePO4-Batterietyp
Prismatic LiFePO4-Batterien werden hauptsächlich in neuen Fahrzeugbatterien und Energiespeicherbatteriepaketen verwendet. Das Batteriemodell wird in Dicke, Breite und Länge ausgedrückt, z. B. 60 Ah, 3.2 V, 30–135–220 mm, 70 Ah, 3.2 V und 30–135–222 mm. Sie haben die gleiche Dicke von 30 mm und die gleiche Breite von 135 mm, aber unterschiedliche Längen von 220 mm bzw. 222 mm. Prismatische LiFePO4-Batteriemodelle haben eine Nennspannung von 3.2 V, außer dass Größe und Kapazität unterschiedlich sein können.
Jeder Typ von LiFePO4-Batterien hat seine Vorteile und Überlegungen. Zylindrische Batterien sind wegen ihrer Vielseitigkeit und Verfügbarkeit beliebt, prismatische Batterien bieten eine höhere Energiedichte und Beutelbatterien bieten Flexibilität im Design. Die Wahl des Batterietyps hängt von der spezifischen Anwendung, Größenbeschränkungen und Leistungsanforderungen ab.
Was sind die Vor- und Nachteile von LiFePO4-Batterien?
Die Hauptvorteile von Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4) sind folgende:
Hohe Sicherheitsleistung
Die PO-Bindung in der LiFePO4-Kristallstruktur ist stabil und schwer zersetzbar. Selbst bei hohen Temperaturen oder Überladung kommt es nicht zu einem Strukturzusammenbruch oder zur Bildung stark oxidierender Substanzen wie bei Lithium-Kobaltoxid-Batterien. LiFePO4 hat eine Zersetzungstemperatur von ca. 600 °C, was zu seiner hervorragenden Sicherheitsleistung beiträgt.
Lange Lebensspanne
Blei-Säure-Batterien haben typischerweise eine Zyklenlebensdauer von etwa 300 Zyklen, maximal etwa 500 Zyklen. Im Gegensatz dazu können LiFePO4-Akkus bei Standardladung (2000C, 0.2 Stunden) eine Zyklenlebensdauer von über 5 Zyklen erreichen. Unter gleichen Bedingungen haben LiFePO4-Batterien eine theoretische Lebensdauer von 7 bis 8 Jahren, während Blei-Säure-Batterien mit demselben Gewicht typischerweise nicht länger als 1 bis 1.5 Jahre halten. Unter Berücksichtigung aller Faktoren ist das Leistungs-Preis-Verhältnis von LiFePO4-Batterien theoretisch mehr als viermal so hoch wie das von Blei-Säure-Batterien.
Hochtemperaturbeständigkeit
LiFePO4-Batterien haben einen weiten Betriebstemperaturbereich (-20 °C bis +75 °C) und weisen eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit auf. Der thermische Spitzenwert von LiFePO4-Batterien kann 350 °C bis 500 °C erreichen, während LiMn2O4-Batterien und LiCoO2-Batterien nur etwa 200 °C erreichen.
Grosse Kapazität
LiFePO4-Batterien haben im Vergleich zu gewöhnlichen Batterien wie Blei-Säure eine größere Kapazität. Die Energiedichte von Blei-Säure-Batterien beträgt etwa 40 Wh/kg, während gängige LiFePO4-Batterien auf dem Markt Energiedichten von 90 Wh/kg oder mehr erreichen.
Kein Memory-Effekt
LiFePO4-Akkus haben, wie die meisten Lithium-Ionen-Akkus, keinen Memory-Effekt. Sie können in jedem Ladezustand aufgeladen und verwendet werden, ohne dass sie vorher vollständig entladen werden müssen. Bei Akkus kommt es häufig zu einem Kapazitätsverlust, wenn sie häufig betrieben werden, ohne dass sie vollständig entladen sind, was als Memory-Effekt bezeichnet wird.
Leichtgewicht
LiFePO4-Batterien gleicher Kapazität haben ein Volumen, das zwei Drittel des Blei-Säure-Akkus beträgt, und ein Gewicht, das einem Drittel des Blei-Säure-Akkus entspricht. Allerdings ist ihre Energiedichte um ein Vielfaches höher als die von Blei-Säure-Batterien.
Umweltfreundlichkeit
LiFePO4-Batterien gelten im Allgemeinen als frei von Schwermetallen und seltenen Metallen, ungiftig (SGS-zertifiziert), umweltfreundlich und konform mit den europäischen RoHS-Vorschriften. Sie gelten als grüne und umweltfreundliche Batterien. Die Umweltfreundlichkeit von Lithiumbatterien ist einer der Hauptgründe, warum sie von der Industrie bevorzugt werden.
Nachteile von LiFePO4-Batterien
Bedrohung durch elementares Eisen: Während des Sinterprozesses bei der Herstellung von LiFePO4 besteht die Möglichkeit, dass Eisenoxid in reduzierenden Atmosphären mit hoher Temperatur zu elementarem Eisen reduziert wird. Elementares Eisen kann in Batterien Mikrokurzschlüsse verursachen und ist die unerwünschteste Substanz in Batteriesystemen. Dies ist auch der Hauptgrund, warum Japan dieses Material nicht als primäres Kathodenmaterial für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien übernommen hat.
Leistungsmängel: LiFePO4 weist einige Leistungsmängel auf, wie z. B. eine sehr geringe Klopfdichte und Verdichtungsdichte, was zu einer geringen Energiedichte der Batterie führt. Auch bei niedrigen Temperaturen weist es eine schlechte Leistung auf, selbst mit Nanoskalierung und Kohlenstoffbeschichtung bleibt dieses Problem ungelöst. Testergebnisse von LiFePO4-Batterien zeigen, dass sie Elektrofahrzeuge bei Temperaturen unter 0 °C nicht antreiben können. Obwohl einige Hersteller behaupten, dass LiFePO4-Batterien bei niedrigen Temperaturen eine gute Kapazitätserhaltung aufweisen, gilt dies nur bei niedrigem Entladestrom und sehr niedriger Entlade-Abschaltspannung. In solchen Situationen können die Geräte überhaupt nicht funktionieren.
Schlechte Konsistenz: Ob aus der Materialaufbereitung oder der Fertigung. Es ist schwierig, die Produktkonsistenz sicherzustellen, und die Spannungsplattform von Lithiumeisenphosphat ist schmaler, was die Beobachtbarkeit der Batterie erschwert.
Welche Anwendungen gibt es für LiFePO4-Batterien?
LiFePO4-Batterien sind zur beliebtesten Wahl für Energiespeichersysteme (ESS) in der Solar- und erneuerbaren Industrie geworden. Sie sind bekannt für ihre Sicherheit, Effizienz und eine extrem lange Lebensdauer. Als Ersatz für herkömmliche Blei-Säure-Batterien werden üblicherweise verschiedene Batteriepacks mit Spannungen von 12 V, 24 V und 48 V verwendet.
Für kleine Solaranlagen ist die CM Batteries Empfohlen wird eine LiFePO4-Batterie, wie die 12V/24V 200Ah oder höher 48V300Ah Optionen. Die CM Batteries 12.8V Batterie ist ein gutes Beispiel, da das Gehäuse die gleiche Größe wie die Original-Blei-Säure-Batterie hat und direkt ausgetauscht und aufgerüstet werden kann.
Modulare LiFePO4-Batterien werden häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Elektrofahrzeuge, Speicher für erneuerbare Energien, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und tragbare elektronische Geräte. Modulare Lithium-Eisenphosphat-Batterien sind seriell parallele Batteriepakete, die aufgrund eines verbesserten BMS auch stabiler sind.
Bei Solaranlagen für Privathaushalte ist der LiFePO4-Batterietyp „Power Wall“ beliebt, da er ästhetisch ansprechend ist und sich gut in die Inneneinrichtung einfügt.
In Gebieten, in denen es häufig zu Stromausfällen kommt, sind LiFePO4-Batterien die bessere Wahl für USV-Systeme, da sie im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien eine längere Lebensdauer bieten. In Gebieten mit seltenen Stromausfällen können Blei-Säure-Batterien jedoch kostengünstiger sein.
Für Golfwagen, langsame Fahrzeuge, Elektrofahrzeuge, CCTV- und Sicherheitssysteme, Solarkameras, Wohnmobile, Wohnwagen, Boote und Schiffsanwendungen werden LiFePO4-Batterien aufgrund ihres geringeren Gewichts, ihrer höheren Leistung und ihrer längeren Lebensdauer bevorzugt.
Insgesamt werden LiFePO4-Batterien aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile und technologischen Fortschritte zunehmend in verschiedenen Branchen und Anwendungen eingesetzt.
Wie lade ich einen LiFePO4-Akku auf?
Das ordnungsgemäße Laden einer LiFePO4-Batterie ähnelt dem Laden einer Blei-Säure-Batterie. Der Ladevorgang kann in drei Phasen unterteilt werden: Konstantstromladung (CC), Konstantspannungsladung (CV) und Erhaltungsladung.
Konstantstromstufe (CC).
Während der Konstantstrom-Ladephase (CC) wird ein konstanter Ladestrom angelegt, wodurch die Spannung kontinuierlich ansteigt, bis sie die maximale Spannung, beispielsweise 14.6 V, erreicht.
Konstantspannungsstufe (CV).
In der Ladestufe mit konstanter Spannung (CV) wird die Spannung konstant gehalten, während der Ladestrom langsam auf unter 0.05 °C absinkt.
Erhaltungsladung
Die Erhaltungsladung, auch Erhaltungsladung genannt, ist bei LiFePO4-Batterien nicht notwendig. Im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien müssen LiFePO4-Batterien nicht zu 100 % aufgeladen werden, um Sulfatierung zu vermeiden. Überladen einer LiFePO4-Batterie kann dazu führen, dass sich zu viele Lithiumionen ansammeln und Elektronen entweichen. Der empfohlene Lade-/Entladezyklus für LiFePO4-Akkus beträgt 10 % bis 90 %.
Empfohlene Ladeparameter
Die Ladespannung für LiFePO4-Akkus sollte zwischen 14.0 V und 14.6 V bei 25 °C oder 3.50 V bis 3.65 V pro Zelle liegen. Die beste Ladespannung beträgt 14.4 V oder 3.60 V pro Zelle. Das Laden mit mehr als 3.65 V pro Zelle kann die Kapazität leicht verringern, aber die Anzahl der Zyklen erhöhen. Wenn die Batteriespannung den empfohlenen Bereich überschreitet, sollte der Ladevorgang sofort gestoppt werden. LiFePO4-Batterien erfordern keine Erhaltungsladung. Wenn das Ladegerät über eine Erhaltungsspannungseinstellung verfügt, wird empfohlen, diese auf 13.6 V einzustellen, um einen Ladeeffekt auf die Batterie zu vermeiden.
LiFePO4-Akkus werden bei Temperaturen zwischen 0 °C und 55 °C aufgeladen. Beim Laden unter 0 °C können die Lithiumionen kristallisieren und die effektive Kapazität verringern. Einige Niedertemperatur-LiFePO4-Batterien verfügen jedoch über eingebaute Selbstheilungsmechanismen, die das Laden bei Temperaturen um -10 °C ermöglichen. Das Batteriemanagementsystem (BMS) steuert in diesen Fällen die interne Erwärmung der Batterie.
Vorher Reihenschaltung von LiFePO4-BatterienUm eine hohe Konstanz zu gewährleisten, ist es wichtig, alle Akkus vollständig aufzuladen. Dadurch wird verhindert, dass eine Batterie vor den anderen ein hohes oder niedriges Spannungsniveau erreicht, was zu Energieungleichgewichten führen kann. Durch regelmäßiges Überprüfen der Batteriespannung und Halten der Spannungsdifferenz innerhalb von 50 % kann die Lebensdauer der Batterie verlängert werden. Bei großen Spannungsunterschieden können auch Batterie-Balancer in Betracht gezogen werden.
Kann Li-Ionen-BMS für eine LiFePO4-Batterie verwendet werden?
Die Antwort ist ein klares „NEIN“. Ein Li-Ionen-Batteriemanagementsystem (BMS) kann nicht direkt mit einer LiFePO4-Batterie (Lithiumeisenphosphat) verwendet werden. LiFePO4-Batterien unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und Ladeanforderungen von anderen Arten von Lithium-Ionen-Batterien, wie beispielsweise Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) und Lithium-Manganoxid (LiMn2O4).
LiFePO4-Batterien haben im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Chemikalien einen anderen Spannungsbereich und andere Lade-/Entladeeigenschaften. Sie verfügen typischerweise über eine niedrigere Spannungsplattform (ca. 3.2–3.3 V pro Zelle) im Vergleich zu den Plattformen mit höherer Spannung (ca. 3.6–3.7 V pro Zelle) von Li-Ionen-Batterien. Darüber hinaus verfügen LiFePO4-Batterien über eine stabilere Chemie, ein geringeres Risiko eines thermischen Durchgehens und eine längere Lebensdauer.
Verwenden Sie für einen sicheren und optimalen Betrieb der LiFePO4-Batterie immer ein spezielles BMS, das speziell für die LiFePO4-Chemie entwickelt wurde.
Zu den wichtigsten BMS-Anforderungen gehören:
- Aufrechterhaltung des Zellgleichgewichts
- Programmieren von Spannungsschwellenwerten zur Anpassung an die LiFePO4-Spezifikationen
- Kalibrieren der Lade-/Entladeraten für die Batteriesicherheit
- Temperaturüberwachung in Echtzeit
Die Verwendung eines Li-Ionen-BMS, das für andere Lithium-Ionen-Chemikalien entwickelt wurde, mit einem LiFePO4-Akku kann zu ungenauer Überwachung, unsachgemäßem Laden und potenziellen Sicherheitsrisiken führen. Daher ist es wichtig, ein spezielles BMS-Design für LiFePO4-Batterien zu verwenden, um optimale Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit der Batterie zu gewährleisten.
Vergleich von LiFePO4-Akkus mit anderen Lithium-Ionen-Akkus
Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien gibt es in verschiedenen Ausführungen, nämlich Li-Po (Lithium-Polymer), Li-Ion (Lithium-Ion)und LiFePO4 (Lithium-Eisenphosphat), und jedes hat seine eigenen Besonderheiten. Wie in der folgenden Tabelle gezeigt:
| Merkmal | Li-Po | Li-ion | LiFePO4 |
| Chemie | Polymerelektrolyt | Flüssiger Elektrolyt | Lithium-Eisenphosphat-Kathode |
| Energiedichte | Höchste | Medium | Unterste |
| Schutz | Weniger sicher | Mäßig sicher | Sichersten |
| Life Cycle | Moderat | Medium | Höchste |
| Kosten | Unterste | Medium | Höchste |
| Common-Gebrauch | Drohnen, RC-Fahrzeuge | Laptops, Smartphones, Elektrowerkzeuge | Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energiespeicher |
LiFePO4-Batterien bieten die sicherste und langlebigste Lithium-Ionen-Chemie, ihre geringere Energiedichte und die höheren Kosten schränken jedoch einige Anwendungen ein.
LiFePO4-Batterien revolutionieren die Batterieindustrie mit ihrer außergewöhnlichen Sicherheit, langen Lebensdauer und zuverlässigen Leistung. Ihre Anpassungsfähigkeit macht sie für eine breite Palette von Anwendungen geeignet. Um die einzigartigen Eigenschaften, Ladeanforderungen und Vorteile von LiFePO4-Batterien zu verstehen, Kontaktieren Sie uns für weitere Informationen an.
