Welcher ist besser: LiFePO4 oder Lithium-Ionen-Batterie?

Bei der Auswahl der richtigen Batterie für Ihre Bedürfnisse gibt es viele Überlegungen. LiFePO4- und Lithium-Ionen-Batterien sind beliebte Optionen, aber welche ist die bessere Wahl? Dieser Artikel vergleicht diese beiden Batterietypen hinsichtlich ihrer Leistung, Umweltverträglichkeit und Kosten, um Ihnen bei der Entscheidung zwischen LiFePO4 und Lithium-Ionen-Batterien zu helfen.

Hintergrund zu Lithium-Ionen-Batterien

Geschichte und Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien

Die Geschichte und Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien begann in den 1970er Jahren mit tatsächlicher Arbeit von Wissenschaftlern an der Technologie. 1985 entwickelte Akira Yoshino einen Prototyp der modernen Li-Ionen-Batterie, die eine kohlenstoffbasierte Anode anstelle von Lithiummetall verwendete. Dies wurde von einem Team von Sony und Asahi Kasei unter Leitung von Yoshio kommerzialisiert. 

Ende der 1970er Jahre begann ein Team globaler Wissenschaftler mit der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie, die später in Konsumgütern wie Mobiltelefonen und Laptops im Jahr 1996 verwendet wurde. Goodenough, Akshaya Padhi und Mitarbeiter schlugen in den 1990er Jahren Lithium-Eisen vor. 

1991 brachte Sony wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien auf den Markt, was zu einem raschen Wachstum der Verkaufszahlen und Vorteilen im Vergleich zu wiederaufladbaren Batteriesystemen führte. Alessandro Volta erfand 1800 die erste echte Batterie, die aus Kupfer- (Cu) und Zinkscheiben bestand, die übereinander gestapelt wurden. Seitdem wurden bemerkenswerte Fortschritte bei Lithium-Ionen-Batterien erzielt.

Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien übertragen Lithium-Ionen und Elektronen vom Anoden- zum Kathodenbereich. Die Bewegung der Lithium-Ionen erzeugt freie Elektronen in der Anode, was eine Ladung am positiven Stromsammler erzeugt. Dieser elektrische Strom fließt vom Stromsammler durch ein Gerät (Handy, Computer usw.) zum negativen Stromsammler. 

Am Anodenbereich wird neutrales Lithium oxidiert und gibt sein einzelnes Elektron ab, während es in Richtung Kathode wandert. Gleichzeitig nehmen an der Kathode Sauerstoffmoleküle diese Elektronen auf und verbinden sie mit Lithium-Ionen, um Lithiumperoxid-Moleküle zu bilden. Dieser Prozess kehrt sich beim Aufladen der Batterie um: Sauerstoffmoleküle zerfallen und setzen Elektronen sowie Lithium-Ionen frei, die zurück zur Anode wandern. Dieser Lade- und Entladezyklus ermöglicht es Lithium-Ionen-Batterien, eine stabile Energiequelle bereitzustellen.

Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien bieten eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber anderen Arten von wiederaufladbaren Batterien. Einer der Hauptvorteile dieser Batterien ist ihre hohe Energiedichte, die mit 100-265 Wh/kg zu den höchsten im Markt für wiederaufladbare Batterien gehört. Dies ermöglicht eine längere Ladezeit und ein höheres Leistungsgewicht-Verhältnis als andere Batterietypen. 

Darüber hinaus haben diese Batterien eine lange Lagerfähigkeit, die auf 5-7 Jahre bei 20°C/68°F geschätzt wird. Sie verfügen außerdem über eine hohe Energieeffizienz und eine niedrige Selbstentladungsrate. Zudem haben Lithium-Batterien eine höhere Entladetiefe als andere Batterietypen. All diese Eigenschaften machen Lithium-Ionen-Batterien zu einer attraktiven Wahl für viele Anwendungen.

Hintergrund zu LiFePO4-Batterien

Geschichte und Entwicklung von LiFePO4-Batterien

Die Geschichte und Entwicklung von LiFePO4-Batterien reichen bis in die 1970er Jahre zurück, als grundlegende Arbeiten an Lithium-Ionen-Batterien begannen. Seitdem wurden bemerkenswerte Fortschritte bei der Entwicklung von LiFePO4-Batterien erzielt. 

Whittingham schlug 1976 die Verwendung von Lithium in Batterien vor, während er Ingenieur bei einem deutschen Ölunternehmen war. Im Jahr 1996 veröffentlichte die Forschungsgruppe von John B. Goodenough an der Universität Texas ihre Forschung zu LiFePO4 als Kathodenmaterial. 

Anschließend wurde die Technologie weiterentwickelt und verbessert, was zu Schnellladung, größerer Autonomie, leichteren Batterien und niedrigeren Kosten führte. Zudem ermöglichten Polymer-Elektrolyte eine größere Gestaltungsfreiheit und eine höhere Energiedichte. Heute werden LiFePO4-Batterien aufgrund ihrer niedrigen Kosten und langen Lebensdauer in verschiedenen Anwendungen eingesetzt.

Wie LiFePO4-Batterien funktionieren

Lithium-Eisenphosphat-(LiFePO4)-Batterien sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-(Li-Ion)-Batterien. LiFePO4-Batterien verwenden Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial, zusammen mit einer Graphit-Kohlelektrode und einem metallischen Stromsammler. Beim Laden der Batterie fließt Strom in die Batterie, und Lithium-Ionen bewegen sich in oder aus dem LiFePO4-Material. Dieser Prozess setzt Strom frei, wenn die Batterie entladen wird. 

Die Vorteile von LiFePO4-Batterien gegenüber anderen Lithium-Ionen-Batterien umfassen ihre Fähigkeit, in einem weiten Temperaturbereich zu arbeiten, was sie für verschiedene Anwendungen geeignet macht.

Vorteile von LiFePO4-Batterien

LiFePO4-Batterien bieten viele Vorteile gegenüber anderen Lithium- und Blei-Säure-Batterien. Sie haben eine längere Lebensdauer, mit einer Lagerfähigkeit von 350 Tagen, und können bis zu viermal länger halten als Blei-Säure-Batterien. 

Darüber hinaus bieten LiFePO4-Batterien eine hohe Entladekapazität von nahezu 100% im Vergleich zu 80% bei Blei-Säure-Batterien, was weniger Ladezyklen erfordert. Jüngste unabhängige Degradationstests haben auch gezeigt, dass die LiFePO4-Chemie sicherer ist und eine längere Lebensdauer als andere Lithium-Batterien hat. All diese Vorteile machen LiFePO4-Batterien zu einer idealen Wahl für tragbare und stationäre Anwendungen.

Vergleich von Lithium-Ionen- und LiFePO4-Batterien

Der Vergleich zwischen Lithium-Ionen-(Li-Ion)- und LiFePO4-Batterien ist entscheidend, um die beste Option für verschiedene Anwendungen zu bestimmen. Li-Ion-Batterien sind energiedichter als LiFePO4-Batterien, mit einer Energiedichte von 160-265 Wh/kg, während LiFePO4-Batterien eine Energiedichte von etwa 100-170 Wh/kg aufweisen. 

LiFePO4-Batterien haben eine längere Lebensdauer als Li-Ion-Batterien, mit einer Lebenserwartung von 5-7 Jahren im Vergleich zu 3-5 Jahren bei Li-Ion-Batterien. Außerdem gelten LiFePO4-Batterien im Allgemeinen als sicherer als Li-Ion-Batterien aufgrund ihrer niedrigeren Betriebsspannungen und ihres besseren Sicherheitsprofils. Die Kosten sind ebenfalls ein Faktor bei der Gegenüberstellung der beiden Batterietypen, da Lithium-Ionen-Batterien tendenziell teurer sind als LiFePO4-Batterien. 

Abschließend sollten bei Vergleichen auch die Auswirkungen auf den Lebenszyklus, das Klima und die Kosten berücksichtigt werden. Lithium-Ionen-Batterien haben tendenziell einen größeren Einfluss auf die Umwelt als LiFePO4-Batterien.

Anwendungen von Lithium-Ionen- und LiFePO4-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien werden in verschiedenen elektronischen Geräten weit verbreitet eingesetzt, von Smartphones und Laptops bis hin zu Energiespeichersystemen. Diese wiederaufladbaren Batterien bieten eine hohe Energiedichte, eine lange Zyklenlebensdauer und eine niedrige Selbstentladung, was sie ideal für den Betrieb tragbarer Geräte macht. Lithium-Ionen-Batterien haben auch das Potenzial für groß angelegte Anwendungen wie netzgebundene Energiespeichersysteme. 

LiFePO4-Batterien werden ebenfalls immer beliebter aufgrund ihrer niedrigeren Kosten und des cobaltfreien Aufbaus. Sie werden häufig in Booten, Solarsystemen und Fahrzeugen wie Plug-in-Hybriden und vollelektrischen Autos eingesetzt. LiFePO4-Batterien haben auch Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien, wie höhere thermische Stabilität und längere Lebenszyklen. Beide Batterietypen sollten nicht im Hausmüll oder in Recyclingbehältern entsorgt werden und benötigen spezielle Recyclinganlagen für eine ordnungsgemäße Entsorgung.

Schlussfolgerung

Nach der Überprüfung der wichtigsten Vergleichspunkte zwischen Lithium-Ionen- und LiFePO4-Batterien ist klar, dass die beiden Technologien unterschiedliche Vorteile und Nachteile haben. Lithium-Ionen-Zellen sind energiedichter, haben eine höhere Leistungsabgabe und sind kostengünstiger als LiFePO4-Batterien. Allerdings haben LiFePO4-Zellen eine längere Lebensdauer und sind sicherer als Lithium-Ionen-Batterien. Je nach Anwendung kann eine der beiden Technologien besser geeignet sein. Zum Beispiel benötigen Sie eine hohe Leistungsabgabe und haben kein Problem damit, die Batterie alle paar Jahre zu ersetzen. Lithium-Ionen-Batterien könnten die bessere Wahl sein. Wenn jedoch Sicherheit oberste Priorität hat oder Sie eine längere Batterielebensdauer benötigen, sind LiFePO4-Zellen möglicherweise die bessere Option.