Lithiumeisenphosphat (LFP) hat die chemische Formel LiFePO₄. Sein Sicherheitsgen liegt in seiner einzigartigen „Olivinstruktur“ – wie eine robuste Panzerung für Lithium-Ionen.
Struktur bestimmt das Schicksal
1. Kristallstruktur: Ein „sicherer Weg“ für Lithiumionen
Unter dem Mikroskop erscheinen LFP-Kristalle olivinförmig (sechseckige Struktur). Innerhalb dieser Struktur:
PO₄³⁻-Tetraeder bilden ein starkes Gerüst, ähnlich wie Stahlstangen in Gebäuden. Diese Struktur hält auch großer Hitze gut stand.
Fe²⁺-Ionen befinden sich in den Zwischenräumen des Skeletts und stabilisieren die Struktur.
Li⁺-Ionen bewegen sich durch die Bahnen und werden beim Laden und Entladen ein- und ausgelagert. Dadurch bleibt der Weg frei und jede Abweichung wird verhindert.
Diese Struktur ist deutlich haltbarer als ternäre Materialien. Selbst bei Stößen oder hohen Temperaturen bleibt das PO₄³⁻-Skelett stabil. Dies verhindert den Sauerstoffaustritt, der bei ternären Materialien zu einer Verbrennung führen kann. Experimente zeigen, dass LFP bei über 500 °C zerfällt. Im Gegensatz dazu beginnen ternäre Materialien wie NCM811 bereits bei 200 °C zu zerfallen.
2. Lade- und Entladeprinzip: Sanfte „Ionenbewegung“
Das Laden und Entladen von LFP ähnelt einer gleichmäßigen „Ionenbewegung“. Es unterscheidet sich von den intensiven Reaktionen, die bei ternären Materialien auftreten.
Beim Laden verlässt Li⁺ die positive Elektrode (LiFePO₄). Es wandert durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode (Graphit) und bildet LiC₆.
Beim Entladen wandert Li⁺ von der negativen zur positiven Elektrode. Gleichzeitig wandern Elektronen durch den externen Stromkreis und erzeugen Strom.
Die Redoxreaktion zwischen Fe²⁺ und Fe³⁺ verläuft mild. Dies steht im Gegensatz zu den heftigen Reaktionen in Übergangsmetallen wie Nickel und Kobalt. Diese Metalle in ternären Materialien setzen viel Wärme frei. LFP weist beim Laden und Entladen nur minimale Temperaturschwankungen auf. Diese liegen in der Regel unter 20 °C.
Leistungseinführung: Vorteile und Nachteile von LFP
Keine Batterie ist perfekt. Die Leistungsmerkmale von LFP lassen sich als „zwei Stärken und zwei Schwächen“ zusammenfassen. Das Verständnis dieser Eigenschaften ist entscheidend für das Verständnis der Anwendungsszenarien.
1. Zwei Hauptvorteile: Sicherheit und Lebensdauer
Maximale Sicherheit:
LFP hat einen einzigartigen Vorteil: Es gibt keinen Sauerstoff ab. Außerdem ist es hochtemperaturbeständig. Ternäre Materialien geben bei Erwärmung Sauerstoff ab und unterstützen so die Verbrennung. LFP hingegen zerfällt in nicht brennbare Substanzen wie Fe₂O₃ und P₂O₅. Dies ist auch der Schlüssel zu seiner Entzündungsbeständigkeit bei Nadelstich- und Kompressionstests.
Unglaubliche Lebensdauer:
Die Olivinstruktur von LFP verändert ihr Volumen beim Laden und Entladen nur um 3,7%. Im Gegensatz dazu verändern ternäre Materialien ihr Volumen um 7-10%. Dies führt zu einer sehr stabilen Strukturstabilität. Herkömmliche LFP-Batterien halten 3.000 bis 5.000 Zyklen. LFP-Batterien zur Energiespeicherung können jedoch über 10.000 Zyklen durchlaufen. Bei täglichem Laden und Entladen entspricht das einer Nutzungsdauer von etwa 27 Jahren.
2. Zwei wesentliche Mängel: Energiedichte und Tieftemperaturverhalten
Niedrige Energiedichte:
Die theoretische Energiedichte von LFP beträgt 170 mAh/g. Massenproduzierte Batterien haben jedoch üblicherweise eine Energiedichte von 150–200 Wh/kg. Im Gegensatz dazu können ternäre Materialien wie NCM811 250–300 Wh/kg erreichen. LFP-Batterien haben bei gleichem Gewicht eine geringere Reichweite. Beispielsweise kann ein LFP-Fahrzeug mit gleichem Batterievolumen 500 km weit fahren, während ein Fahrzeug mit ternären Materialien 600 km weit kommt.
Deutlicher „Leistungsverlust“ bei niedrigen Temperaturen:
Unter 0 °C nimmt die Ionenleitfähigkeit von LFP ab, was Ladeeffizienz und Kapazität beeinträchtigt. Bei -20 °C beträgt die Kapazitätserhaltung von LFP etwa 60%, während ternäre Materialien 75% erreichen können. Aus diesem Grund bevorzugen Anwender in Nordchina ternäre Batterien.
Technologischer Durchbruch: Wie kann LFP dazu gebracht werden, „seine Stärken zu stärken und seine Schwächen zu überwinden“?
1. Materialmodifikation: Beschleunigung der LFP-Produktion
Nanoidisierung und Kohlenstoffbeschichtung:
Die Nanoskalierung von LFP-Partikeln (<100 nm) vergrößert deren Oberfläche und ermöglicht so eine schnellere Lithium-Ionen-Migration. Die Beschichtung der Oberfläche mit einer Kohlenstoffschicht (2–5 nm dick) erhöht die Leitfähigkeit um das 1.000-fache. Das modifizierte LFP verbessert die Ladeleistung von 1C auf 5C (vollständige Ladung in 12 Minuten).
Metallionendotierung:
Die Dotierung mit Metallionen wie Mg²⁺ und Nb³⁺ verbessert die Kristallstruktur. Sie steigert zudem die Leistung bei niedrigen Temperaturen. CATLs „Low-Temperature LFP“ erreicht bei -20 °C eine Kapazitätserhaltung von 75% und nähert sich damit dem Niveau ternärer Materialien an.
2. Strukturelle Innovation: Die „Weltraummagie“ der Blade-Batterie von BYD
Herkömmliche LFP-Batterien verwenden quadratische Module, was zu einer Platzausnutzung von nur 60% führt. Die Blade-Batterie von BYD verwendet lange, dünne Zellen mit einer Länge von 1,5 Metern und einer Breite von 10 Zentimetern. Diese Zellen passen wie eine „Klinge“ in den Batteriesatz. Dieses Design steigert die Platzausnutzung auf über 90%.
Durch dieses Design erreicht das LFP-System eine Energiedichte von über 180 Wh/kg. Es bietet außerdem eine Reichweite von 600 km und ist pannensicher. Im Jahr 2023 erhielt der BYD Han EV mit Blade-Batterien im C-NCAP-Crashtest die Bewertung „keine Selbstentzündung“.
3. Systemintegration: Die „Kunst der Subtraktion“ der CTP-Technologie
Die CTP-Technologie von CATL verzichtet auf das Modulgehäuse in Batteriepacks. Dadurch können LFP-Zellen dicht gepackt werden. Eine wassergekühlte Platte regelt die Temperatur. Dieses Design:
Reduziert das Gewicht um 15% und erhöht die Energiedichte um 10%;
Reduziert die Kosten um 10% (Wegfall von Modulmaterialien und Montagekosten).
LFP-Akkupacks mit CTP sind in Energiespeicherstationen wie der 5G-Basisstation von Huawei und in Nutzfahrzeugen wie den Elektrobussen von Yutong weit verbreitet.
Anwendungskarte: Wo ist das „Heimfeld“ von LFP?
Aufgrund seiner Sicherheits- und Kostenvorteile ist LFP in den folgenden Szenarien unverzichtbar geworden:
1. Fahrzeuge mit neuer Energie: Ein Gegenangriff vom Low-End- zum High-End-Segment
**Einstiegsmodelle:** Der Wuling Hongguang MINI EV verfügt über LFP-Batterien. Dies senkt die Kosten um 15% und den Preis auf 30.000 Yuan.
**Mittel- bis High-End-Modelle:** Der BYD Han EV und der Xiaopeng P5 verwenden Blade Battery/LFP-Versionen. Sie bieten eine Reichweite von bis zu 600 km. Dieses Setup bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Sicherheit und Reichweite.
Nutzfahrzeuge: Busse und Logistikfahrzeuge werden zwei- bis dreimal täglich geladen und entladen. Die lange Lebensdauer von LFP (10 Jahre/500.000 Kilometer) kann die Gesamtlebenszykluskosten senken.
2. Energiespeicherkraftwerke: LFPs „absolutes Zuhause“
70% der weltweiten Energiespeicherkraftwerke verwenden LFP-Batterien aus drei Gründen:
Lange Lebensdauer (10.000 Zyklen), kein Austausch über 20 Jahre erforderlich;
Niedrige Kosten (0,5 Yuan/Wh), 30% niedriger als ternäre Materialien;
Hohe Sicherheit verhindert Brände in Energiespeicherkraftwerken. Der Brand in Texas 2021 wurde durch ternäre Batterien verursacht.
Chinas „PV + LFP-Energiespeicher“-Projekte, wie das 100-MW-Kraftwerk in der Präfektur Haixi in der Provinz Qinghai, haben die Kosten gesenkt. Der Preis pro Kilowattstunde beträgt jetzt nur noch 0,3 Yuan. Damit ist die Stromerzeugung günstiger als die Kohleverstromung.
3. Zweiräder und Spezialanwendungen
Elektrofahrräder: High-End-Modelle von Yadea und Aima verwenden LFP-Batterien. Diese Batterien behalten nach 500 Ladevorgängen 80% ihrer Kapazität. Das bedeutet, sie halten dreimal länger als Blei-Säure-Batterien.
Schiffe und unterirdische Ausrüstung: In engen Räumen wie U-Booten und Kohlebergwerken ist die nicht explosive Natur von LFP von entscheidender Bedeutung. LFP wurde als Notstromquelle für Chinas Tiefseesonde „Struggler“ eingesetzt.
Der Marktanteil von LFP stieg von unter 101 TP3T im Jahr 2015 auf über 501 TP3T im Jahr 2023. Dieses Wachstum ist auf den Fokus der neuen Energiebranche auf ein ausgewogenes Verhältnis von Sicherheit und Kosten zurückzuführen. Elektrofahrzeuge werden zu „Haushaltsgegenständen“, nicht nur zu „Erlebnisgeräten“. Energiespeicherung entwickelt sich von einer „Ergänzungsenergie“ zu einer „Hauptstütze des Stromnetzes“. LFP bietet Stabilität und Zuverlässigkeit als Hauptvorteile.
Künftig könnten bessere Festkörperelektrolyte und Natriumionen-Dotierung die Energiedichte und Leistung von LFP bei niedrigen Temperaturen steigern. Unabhängig von den Veränderungen wird das Hauptprinzip der Sicherheit den Erfolg von LFP auf dem hart umkämpften Markt für Energiebatterien sichern.
