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Lithium-Eisen-Phoshat-Akkus

Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus sind eine 1997 an der University of Texas entwickelte Variante der Lithium-Ionen-Akkus, bei der Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4, 'LFP') anstatt Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2) als Kathodenmaterial verwendet wird.

Li-Eisenphosphat als Kathodenmaterial bringt gegenüber herkömmlichen Li-Ion-Akkus bzw. alternativen Technologien wie Li-Ion/Mangan Hochstromzellen verschiedene Vor- und Nachteile mit sich, die maßgeblich über die künftigen Marktchancen und Anwendungsbereiche entscheiden. Wesentliche Vorteile von LFP liegen im günstigen Preis sowie in hoher Eigensicherheit und Umweltverträglichkeit, Hemmnisse liegen in der schlechten elektrischen Leitfähigkeit und langsamen Lithium-Diffusion bei LFP bzw. der Bewältigung der damit verbundenen Performance-Probleme von LFP-Zellen.

Rohstoffsituation

LiFePO4 ist der chemische Grundstoff, aus dem das gelbe bis grasgrüne Mineral Tavorit besteht. Das für Akkus verwendete LFP-Pulver jedoch wird ausschließlich synthetisch (Feststoffreaktionen bei hohen Temperaturen) gewonnen.

Eisenphosphat lässt sich deutlich billiger herstellen als das für Li-Ion-Akkus verwendete Kobaltoxid. Noch gravierender ist jedoch, dass Kobalt von nur wenigen Ländern geliefert wird, was jenen Rohstoff anfälliger für enorme Preisschwankungen infolge von Rohstoffspekulationen macht. Für Eisenphosphat sind solche Unwägbarkeiten weniger zu erwarten, da die Rohstoffe für diese Substanz weltweit leicht verfügbar sind.

Eigensicherheit und Umweltverträglichkeit

LFP neigt aufgrund der starken chemischen Bindung seines Sauerstoffgehaltes nicht zur Bildung von Feuer bzw. zur Explosion ('thermal runaway'), LFP-Zellen weisen somit bereits bauartbedingt eine hohe Eigensicherheit auf. Diese positive Eigenschaft wird noch unterstützt durch eine hohe strukturelle Stabilität von LFP-Kathoden sowie die Ungiftigkeit und gute Umweltverträglichkeit von LFP.

Schlechte Leitfähigkeit von LiFePO4

Das Haupthemmnis bei der Entwicklung von LFP-Zellen waren die schlechte elektrische Leitfähigkeit von LiFePO4 sowie die geringe Diffusionsgeschwindigkeit von Lithium in LFP. Die praktisch messbaren Ergebnisse blieben zunächst weit hinter den möglich erscheinenden Kenndaten zurück, beispielsweise der theoretisch erreichbaren Kapazität von 170 Ah/kg. Erst durch Beschichtung mit leitfähigem Kohlenstoff, Dotierung mit Fremdmetallatomen und die Erzeugung von Nanostrukturen mit optimierter Größe ließen sich die Leistungsdaten von LFP-Zellen nach und nach verbessern.

Leistungsdaten und Einsatzgebiete

Heute erreichen LFP-Zellen bereits in einigen Kriterien beindruckende Kenndaten und können vielfach schon mit Li-Ion- oder Li-Ion/Mangan-Zellen konkurrieren.

• Arbeitsspannung: 3 bis 3,3 Volt
• Temperatur-Arbeitsbereich: -45 bis 70°C
• Zyklen-Festigkeit: bis über 5000 Zyklen

Der theoretisch erzielbare günstige Preis, die hohe Eigensicherheit, die hohe Zyklenzahl und der große Temperatur-Arbeitsbereich prädestinieren diese Technologie ganz besonders für den Einsatz in Fahrzeugen mit Hybridantrieben, einem Sektor, für den große Nachfrage erwartet wird.