LiFePO4 erklärt – das bringt die neue Akkutechnik

Nein, LiFePO₄ hat nichts mit Lifestyle zu tun, sondern ist eine chemische Formel, die für die Verbindung Lithiumeisenphosphat steht. Sie haben das Akronym sicher schon mal gelesen, vor allem wenn Sie nach Akkus suchten, die viel Ladung bereithalten, etwa für Camping oder die Sorge vor zeitweisen Blackouts.

Genau hier kommt die Substanz zum Einsatz: Lithiumeisenphosphat dient in Akkus als Kathodenmaterial. Das bedeutet: Entlädt sich die Batterie und gibt somit Strom an angeschlossene Komponenten ab, ist die Kathode der Pluspol. In LiFePO₄-Akkus ist der andere Pol, die Anode, aus Graphit geformt, in die Lithium eingelagert ist.

Somit ist ein LiFePO₄-Akku auch nichts weiter als eine Lithium-Ionen-Batterie, die Kathode nimmt positive Lithium-Ionen auf und baut sie in ihre Struktur ein – oder gibt sie auf umgekehrten Weg in den Elektrolyt ab.

Was an LiFePO₄ anders ist

Und doch gibt es einen wesentlichen Unterschied zu den bisher als Lithium-Ionen-Akkus bekannten Batterien, die Apple Watch, iPhone, iPad, Macbook und mehr mit Energie versorgen – und sich um die tausendmal wieder aufladen lassen, ohne an Maximalspannung zu verlieren.

Denn der LiFePO₄-Akku kommt ohne Kobalt aus, das Kathodenmaterial herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus entspricht der Formel LiCoO₂ – Lithium-Kobalt-Oxid. Das Metall Kobalt wird aus dem Erz Coltan extrahiert, welches oft unter menschenverachtenden Bedingungen in Bürgerkriegsgebieten geschürft wird. Das Label „Kobalt frei“ klingt beinahe wie „Bio“ – es macht ein besseres Gewissen.

Das mag für einige Hersteller im Marketing ein wichtiges Argument sein, ist aber nicht der einzige Vorteil von LiFePO₄ gegenüber anderen Lithium-Ionen-Akkus. Bei der Reaktion entsteht kein Sauerstoff, die Gefahr eines thermischen Durchgehens – das keine Explosion der Batterie ist, selbst wenn einige das Glauben machen wollen – ist bei dieser Lösung praktisch nicht vorhanden.

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Welche Vorteile LiFePO₄ bietet …

Die aus dem Akku fließenden Dauerströme sind zudem recht hoch, im Bereich von 20 Coulomb (C, nicht zu verwechseln mit Celsius). Die Maßzahl bezieht sich hier auf die mit der Ladung in Amperestunden (Ah) erreichbaren Ströme: Ein Akku mit 10 Ah (oder 10.000 mAh, wir sprechen hier also von gut ausgestatteten Batterien) würde maximal 200 Ampere Stromstärke liefern können. Sprich: Wer eine hohe Leistung benötigt, ist mit einem LiFePO₄ gut bedient. Umgekehrt sind auch Ladeströme von bis zu 3 C möglich, in unserem Beispiel wären das 30 Ampere, LiFePO₄-Batterien sind also auch schnell aufgeladen.

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LiFePO₄-Akkus sind wenig temperaturempfindlich. Während Apple etwa den Betrieb des iPhones nur zwischen 0 °C und 45 °C empfiehlt, können die Lithiumeisenphosphate auch –15 °C oder 60 °C ohne Weiteres ab – kein Wunder, dass das Material vor allem bei Outdoor-Akkus Einsatz findet.

Im Vergleich zu den Lithium-Kobalt-Akkus benötigt LiFePO₄ auch weniger Lithium, da alles Material im Akku genutzt werden kann; bei LiCoO₂ sind es nur 60 bis 70 Prozent. So reichen 80 Gramm Lithium, um eine Energie von 1 kWh zu speichern, bei Handy-Akkus braucht man schon 140 g für 1 kWh. 

Die effizientere Rohstoffnutzung ist natürlich auch ein Argument. Lithium ist zwar ein Element, das in Spuren bereits zu Beginn des Universums vorhanden war, aber immer noch vergleichsweise kompliziert zu gewinnen ist. Die größten Lithium-Vorkommen gibt es etwa in Südamerika, dort in Salzseen, in Australien und im Hindukusch – was Chinas Interesse an größerem Einfluss in Afghanistan erklärbarer macht.

Eine Alternative zu Lithium als Kathodenmaterial ist das im Periodensystem in der Zeile darunter stehende Natrium – das es im wahrsten Sinne des Wortes wie Salz im Meer gibt. Das ist aber eine andere Technik, zu der wir später kommen.

 … und welche Nachteile bestehen

Der wohl größte Nachteil der Technik: Sie benötigt mehr Platz. Das hängt vor allem mit der niedrigeren Energiedichte der Batterien zusammen, typischerweise von 100 Wh/kg. Lithium-Kobalt-Akkus kommen locker auf das Doppelte und sind daher noch in Smartphones, Tablets und selbst Elektroautos die bevorzugte Technik. Die Nennspannung einer LiFePO₄-Zelle liegt mit 3,2 Volt auch klar unter den von Lithium-Kobalt erreichten 3,7 Volt. 

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Doch lassen jüngste Forschungsergebnisse hoffen, dass sich die Energiedichte in LiFePO₄ noch steigern lässt. So könnte die Technik konkurrenzfähig für Elektromobile werden – solange es nicht noch bessere Lösungen gibt. Ein weiterer Nachteil: Der Spannungsverlauf beim Laden und Entladen ist deutlich flacher, so wird es recht schwer, die Restladung eines gegebenen Akkus zu bestimmen.

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Wo LiFePO₄ seinen Einsatz findet

Neben den bereits erwähnten Einsatzgebieten in Akkus für Outdoor spielt Lithiumeisenphosphat noch anderswo eine bedeutende Rolle: in der Photovoltaik. Denn wer den selbst aus der Sonne gewonnenen Strom vorwiegend im eigenen Haushalt nutzen will, sollte sich einen Energiespeicher anschaffen. Typische Speicher für Solaranlagen mit 3,75 kWp sind etwa so groß wie ein Kühlschrank (ohne Gefrierfächer) und fassen dann 5 kWh an Energie – die eben in LiFePO₄-Zellen steckt.

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In diesem Einsatzszenario ist ein weiterer Vorteil der Technik wenig relevant: LiFePO₄-Zellen lassen sich gut lagern, da sie pro Monat nur etwa drei Prozent ihrer Ladung verlieren. Was aber sehr wohl eine Rolle spielt, da wir den Speicher stets von Solarstrom beladen lassen und selbst ihm im Haushalt Energie entnehmen: Erst ab etwa 5.000 vollständigen Ladezyklen sollte sich Substanzverlust in der Batterie bemerkbar machen. Einen Memory-Effekt gibt es auch nicht, ob wir den Akku nur halb oder ganz entladen, wirkt sich nicht auf dessen Leistungsfähigkeit aus.

Was nach LiFePO₄ kommen könnte

Wie weiter oben bereits erwähnt: Es gibt ein Alkalimetall, das weit häufiger als Lithium vorkommt und sich wesentlich einfacher gewinnen lässt: Natrium. 

Erst in diesem Februar hat ein chinesischer Hersteller das erste E-Auto vorgestellt, das auf Natriumbatterien setzt: Der von Sehol und dem Batteriehersteller Hina entwickelte Kleinwagen Sehol E10X fasst in seinen Natrium-Ionen-Akkus eine Energie von 25 kWh, was eine Reichweite von 250 Kilometern ermöglichen soll. Die Energiedichte: 120 Wh/kg, also im Bereich heute erhältlicher LiFePO₄, aber unter der von Lithium-Kobalt-Akkus. Der Hersteller verspricht, das Auto sei in 15 Minuten um 80 Prozent aufgeladen. 

Auch Natriumbatterien haben eine höhere Schnellladefähigkeit, kommen ohne Kobalt aus und bei technischen Beschädigungen besteht keine Brandgefahr durch thermisches Durchgehen. Die Resistenz gegen hohe und niedrige Temperaturen ist höher als bei Lithium-Kobalt-Akkus, zudem sind Natrium-Ionen-Akkus langlebiger.

Laut cleanthinking.de stehe die Natriumbatterie wegen gestiegener Rohstoffkosten kurz vor der Skalierung, mit steigenden Energiedichten sollte sie ab dem Jahr 2025 auch in Mittelklassewagen auftauchen, deren Kunden größere Reichweiten als bei Kleinwagen oder Motorrollern verlangen. Energiedichten von 200 Wh/kg sollten schon bald erreichbar sein. Damit bieten sich die auch „Salzakkus“ genannten Batterien auch als Speicher für regenerative Energie an – für Smartphones, Tablets und Laptops eher weniger.

Und was ist mit Graphen?

Wie eingangs erwähnt, bestehen die Anoden in Lithium- und Natriumbatterien aus Kohlenstoff, aus Graphit, um genauer zu sein. Die Atome darin sind in einer hexagonalen Struktur angeordnet. Neben der seltenen Erscheinungsform Diamant, die nur unter hohem Druck bei hoher Temperatur als oktaederfömiges Kristall entsteht, gibt es noch eine weitere Variante des Kohlenstoffs: Graphen. 

Hier sind die Kohlenstoffatome ebenfalls hexagonal angeordnet, aber eben nur in einer Ebene. Rollt man eine solche Ebene zu einem Zylinder auf, erhält man die bekannten „Nanotubes“ – extrem stabile Röhren mit Durchmessern von wenigen Nanometern und einer Wand, die nur eine Atomschicht dünn ist.

Graphen als Anodenmaterial bringt nicht nur einen enormen Gewichtsvorteil, sondern auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit – Batterien lassen sich weit schneller aufladen.

Eine andere Art der Energiespeicherung ist mit Graphen ebenso möglich: Zwei Kondensatorplatten aus diesem Material, die von einem Isolator getrennt sind, können innerhalb kürzester Zeit Energie aufnehmen und auch wieder abgeben – ein iPhone-Akku wäre in wenigen Sekunden geladen, der „Tankstopp“ eines E-Fahrzeuges wäre kürzer als der von Verbrennern.

Der Nachteil der auch „Supercaps“ genannten Graphenkondensatoren: Sie können die Energie in ihrem elektrischen Feld nicht so lange halten, wie es bei chemischer Speicherung der Fall ist und auch die gespeicherte Energiemenge ist deutlich geringer – was bei Elektrofahrzeugen zu kürzerer Reichweite führt. Für Smartphones ist diese Art der Technik eher weniger geeignet, für Energiespeicher auch nicht.