LFP-Akku: Warum sind Lithium-Eisenphosphat-Akkus ideale Batteriespeicher?

Stationäre Stromspeicher haben eine rasante Entwicklung hinter sich: innerhalb eines Jahrzehnts sind sie vom Nischenprodukt zur Standardlösung für PV-Anlagen geworden. Die Weiterentwicklung der Batterietechnologie hat daran einen entscheidenden Anteil. Heute sind leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien der Standard in Heimspeichern – und immer häufiger hört man von sogenannten LFP-Akkus. Aber was ist das überhaupt? 

Wir geben in diesem Beitrag einen Überblick über die LFP-Technologie, ihre Vor- und Nachteile und die Einsatzbereiche von LFP-Akkus.  

Was sind LFP-Akkus?

LFP steht für Lithium-Eisenphosphat oder Lithium-Ferrophosphat. Häufig liest man auch die Bezeichnung LiFePO₄. LFP-Batterien gehören zu den Lithium-Ionen-Batterien, die nicht nur in Stromspeichern, sondern auch in Elektroautos, Smartphones, Laptops, elektrischen Werkzeugen und zahlreichen anderen Geräten verwendet werden.

Im Gegensatz zu anderen Lithium-Ionen-Batterien besteht beim LFP-Akku die positive Batterieelektrode nicht aus Lithium-Cobalt-Oxid, sondern aus Lithium-Eisenphosphat. Dadurch wird bei der chemischen Reaktion in der Batterie kein Sauerstoff freigesetzt und das Risiko des sogenannten „thermal runway“ (thermisches Durchgehen) ist geringer. Lithium-Eisenphospat-Batterien gelten als sehr robust, sicher und langlebig. Zudem sind sie aufgrund ihrer Zusammensetzung umweltfreundlicher als andere Lithium-Ionen-Batterien. 
 

Anwendungsgebiete: Wo werden LFP-Akkus eingesetzt?

Lithium-Eisenphosphat-Batterien sind langlebig, schaffen eine deutlich höhere Zyklenzahl als viele andere Batterietechnologien und erlauben hohe Be- und Entladeströme. Jedoch weisen LFP-Akkus aufgrund ihrer geringeren Energiedichte oft etwas weniger Kapazität auf als NMC- oder NCA-Batterien, woraus größere und schwerere Batterien resultieren. Daher werden LFP-Batterien bisher vor allem als stationäre Stromspeicher eingesetzt – in der Industrie, aber zum Beispiel auch in U-Booten und in kleinerem Maßstab auch im Modellbau, da sich die Akkus in kürzester Zeit wieder aufladen lassen.

Seit einigen Jahren werden LFP-Akkus zunehmend auch in Photovoltaik-Heimspeichern und in Elektrofahrzeugen eingesetzt, etwa beim Hersteller Tesla. Durch die rasche technologische Weiterentwicklung konnten Größe und Gewicht der LFP-Batterien reduziert und gleichzeitig ihre Leistung gesteigert werden. Vor allem die thermische Sicherheit und die hohen Lade- und Entladeströme sind gute Argumente für die Einsatz in Elektroautos. 

Auch wir von SENEC nutzen ausschließlich LFP-Akkus in unseren Speichern. Wir sind sicher, dass sich die LFP-Technologie als nachhaltige und langlebige Alternative zu Nickel-Cadmium-, Nickel-Mangan-Cobalt- und Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkus in den nächsten Jahren noch deutlich weiterentwickeln und in weiteren Bereichen zum Einsatz kommen wird.
 

Vor- und Nachteile von LFP-Akkus

Vorteile: 
 

• Langlebig: Lithium-Eisenphosphat-Akkus zeigen besonders hohe Zyklenfestigkeit und können über Tausende von Lade-Entlade-Zyklen betrieben werden.
   
• Sicher: Da bei der chemischen Reaktion in der Batteriezelle kein Sauerstoff freigesetzt wird, neigen LFP-Batterien weniger zu Überhitzung und zum thermischen Durchgehen. Im Falle eines thermischen Durchgehens neigen LFP-Akkus wesentlich weniger dazu Sauerstoff freizusetzen, was das Brandrisiko signifikant verringert.
   
• Robust: LFP-Akkus sind besonders unempfindlich gegen mechanische Einflüsse wie Stöße und Schläge.
   
• Nachhaltig: LFP-Batterien benötigen keine giftigen Schwermetalle wie Nickel oder Cobald und sind genauso recycelbar wie andere Lithium-Batterien. 
   
• Wirtschaftlich: Durch das Eisenphosphat als Kathodenmaterial sind LFP-Batterien in der Herstellung relativ preiswert – in Kombination mit ihrer langen Lebensdauer macht das die Akkus noch wirtschaftlicher. 
   
• Hohe Be- und Entladeströme: Die hohe Lade- und Entladeleistung von LFP-Akkus macht sie ideal für den Einsatz in Stromspeichern und Elektroautos.

Nachteile:
 

• Geringere Energiedichte – und damit ein höheres Gewicht als z. B. NMC- und NCA-Akkus 
   
• Größe und Gewicht: Aufgrund der geringeren Energiedichte sind LFP-Akkus meist größer und schwerer als vergleichbare Lithium-Ionen-Akkus
   
• Vergleichsweise junge Technologie: LFP-Batterien sind erst seit etwa 15 Jahren als stationäre Stromspeicher im Einsatz – daher gibt es (noch) weniger Langzeiterfahrungen als mit anderen Lithium-Ionen-Batterietypen.
   

Sicherheit von LFP-Akkus 

Grundsätzlich besteht bei allen akkubetriebenen Geräten ein gewisses Risiko, dass die enthaltenen Batterien überhitzen oder Feuer fangen – etwa, weil die Batteriezelle beschädigt ist oder weil der Akku großer Hitze oder Kälte ausgesetzt wird. Sehr vereinzelt hört man von solchen Vorfällen mit Smartphone-Akkus, Elektroautos und auch bei Stromspeichern.

Wir bei SENEC haben uns für den Einsatz von LFP-Akkus in unseren SENEC-Speicherprodukten entschieden, weil die Lithium-Eisenphosphat-Technologie mehr als alle anderen Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Sicherheit und Langlebigkeit überzeugt. 

Die chemische Zusammensetzung der LFP-Akkus spielt dabei eine entscheidende Rolle: Aus den Aktivmaterialien der LFP-Batterien wird selbst unter hohen thermischen Belastungen kaum Sauerstoff freigesetzt. Sollte in der Batteriezelle ein Fehlerfall auftreten, durch den eine Batteriezelle sich sehr stark erhitzen kann, so neigen LFP-Batterien wesentlich weniger zu einer Selbstentzündung als zum Beispiel NMC oder NCA-basierte Lithiumbatterien. Weiterhin sorgt die im Vergleich mit NMC und NCA geringere Energiedichte der Zellen dafür, dass sie unempfindlicher gegen Temperaturschwankungen und mechanische Einflüsse sind.

Diese Produkteigenschaften bestätigt auch der Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) in seinem Kompendium: Lithium-Ionen-Batterien, das sich mit den Eigenschaften und den Merkmalen der unterschiedlichen Lithium-Ionen-Batterietypen beschäftigt.
 

„Thermisches Durchgehen“: Warum fangen Akkus an zu brennen?  

Wenn ein Akku überhitzt oder sogar Feuer fängt, liegt das in der Regel an einem Kurzschluss im Inneren der Batteriezelle. Grund dafür sind meist Schäden an der Separator-Schicht, welche die negativ geladene Elektrode und die positiv geladene Elektrode voneinander trennt und jeweils nur eine geringe Menge Lithium-Ionen hindurchlässt. Ist der Separator beschädigt, entsteht ein lokaler Kurzschluss, welcher einen sehr schnellen Ladungsaustausch ermöglicht. Hierbei erwärmt sich der Akku stark, was den Separator noch weiter beschädigt. Dadurch treten weitere Kurzschlüsse auf, welche ebenfalls zu starker Erhitzung der Batteriezelle führen. Es kommt zu einer Kettenreaktion, dem sogenannten „thermal runway“ oder auch „thermisches Durchgehen“: Der Akku wird immer heißer und kann im schlimmsten Fall Feuer fangen. 
 

Lebensdauer von LFP-Akkus 

Aufgrund ihrer geringeren Energiedichte gelten LFP-Akkus als weniger leistungsfähig als andere Lithium-Ionen-Batterien. Dem gegenüber steht die Erkenntnis, dass die LFP-Batterien deutlich langlebiger sind als vergleichbare Technologien.

Die Lebensdauer von Batterien wird meist in Form ihrer Zyklenzahl angegeben. Damit ist die Anzahl vollständiger Lade- und Entladezyklen gemeint, die ein Akku schafft, bis er noch 75 % seiner ursprünglichen Ladekapazität leistet. (Lesetipp zur Vertiefung: Entladeleistung Stromspeicher). Lithium-Ionen-Akkus mit NMC- oder NCA-Technologie schaffen etwa 3.000 Ladezyklen. Viele LFP-Akkus dagegen erreichen zwischen 5.000 und 10.000 Ladezyklen, bis ihre Kapazität unter 75 % fällt. Damit lassen sie sich deutlich länger in Stromspeichern oder Elektroautos nutzen. 
 

Umweltfreundlichkeit der LFP-Technologie

Lithium-Eisenphosphat-Akkus gelten aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung als umweltfreundlich. Denn die Batterien enthalten, ähnlich wie die noch in der Erforschung befindlichen Natriumbatterien, keine giftigen Schwermetalle wie Nickel oder Cadmium. Auch Cobalt, das teilweise unter kritischen Bedingungen abgebaut wird, ist in LFP-Akkus nicht enthalten. Stattdessen wird als Kathodenmaterial Eisen(III)phosphat verwendet – ein Material, das in der Natur unter anderem in Form der wasserfreien Minerale Heterosit und Rodolicoitin vorkommt.

Aus diesem Grund können LFP-Akkus nicht nur nachhaltiger und kostengünstiger produziert werden als andere Lithium-Ionen-Akkus, sie sind genauso gut recycelbar wie vergleichbare Lithium-Ionen-Batterien. Lediglich der Elektrolyt kann nach Ende der Lebensdauer der Batterie nicht wiederverwertet werden. 
 

Wirtschaftlichkeit von LFP-Akkus

In der Herstellung sind LFP-Akkus preiswerter als NMC- und NCA-Batterien. Das liegt daran, dass für das Elektrodenmaterial keine seltenen Schwermetalle benötigt werden, sondern lediglich Eisenphosphat.  

Auch die Lebensdauer der LFP-Batterien trägt entscheidend zu ihrer Wirtschaftlichkeit bei. Zwar gibt es noch keine Langzeit-Erfahrungen mit LFP-Akkus in Stromspeichern und E-Autos – in Labortests wurden neuere Batteriemodule aber über mehrere Tausend Lade- und Entladezyklen getestet. Mit der Kombination aus geringen Produktionskosten und langer Lebensdauer können LFP-Akkus daher trotz ihrer etwas geringeren Energiedichte dafür sorgen, dass Stromspeicher und E-Autos künftig preiswerter zu haben sind. 
 

Entwicklung: Seit wann gibt es LFP-Akkus? 

Die Idee, Eisenphosphat als Elektrodenmaterial zu verwenden, entstand 1997, 12 Jahre nach der Entwicklung der ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie. In den ersten Jahren war die geringe Energiedichte der Lithium-Eisenphosphat-Zellen ein Problem, aber durch technische Anpassungen gelang es im Laufe der Jahre, diese zu steigern. Lag die Energiedichte von LFP-Akkus 2015 noch bei etwa 140 Wh/kg, beträgt sie heute bis zu 210 Wh/kg. Durch die Weiterentwicklung qualifizierten sich LFP-Akkus Anfang der 2020er-Jahre auch für den Einsatz in Elektroautos und stationären Heimspeichern für private Haushalte.  

Fazit: LFP ist eine der Batterietechnologien der Zukunft 

Mit Blick auf Nachhaltigkeit und Sicherheit haben LFP-Akkus gegenüber anderen Batterietypen wie NMC und NCA heute schon die Nase vorn. Zwar gibt es dem Nachhaltigkeitsgedanken folgend auch Entwicklungen an einer Natriumbatterie. Durch die rasche Weiterentwicklung der LFP-Batterietechnologie steigert sich deren nutzbare Speicherkapazität aktuell aber schnell weiter und macht LFP so zu einem Vorreiter unter den marktfähigen Batterietypen.

Noch sind LFP-Batterien hauptsächlich in großen, stationären Anwendungen im Einsatz – aber auch bei Elektroautos zeichnet sich schon jetzt ein Trend zur LFP-Technologie ab. So nutzt neben Tesla und BYD auch Ford LFP-Akkus in seinen Elektroautos. Große Hersteller wie CATL haben bereits anklingen lassen, dass die geringeren Produktionskosten von LFP dazu führen könnte, dass E-Autos günstiger werden.

Auch auf dem Stromspeicher-Markt ist LFP auf dem Vormarsch. Der Photovoltaikausbau in Deutschland und die steigende Nachfrage nach Stromspeichern erfordern Akkus, die nicht auf seltene oder giftige Rohstoffe angewiesen sind und die sich vollständig recyceln lassen. Die nutzbare Speicherkapazität von LFP-Akkus wächst weiter. Daher sind wir von SENEC fest davon überzeugt, dass die LFP-Technologie derzeit die beste Batterietechnologie für die Nutzung in Batteriespeichern ist.