Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator

Grundprinzip und Sicherheit

Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (Lithium-Ferrophosphat-Akkumulator, LFP-Akku) ist ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Seine Zellenspannung beträgt 3,2 bis 3,3 V. Die positive Elektrode besteht aus Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄), die negative Elektrode aus Graphit mit eingelagertem Lithium. Gegenüber Zellen mit Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO₂) hat er eine geringere Energiedichte, gilt aber als sicherer gegen thermisches Durchgehen: Bei Nebenreaktionen wird kein Sauerstoff freigesetzt. Bei LiCoO₂-Zellen kann freigesetzter Sauerstoff unter ungünstigen Bedingungen eine Zelle selbstständig entzünden, auch ohne Sauerstoff aus der Umgebung.

Eine vollständige Unbrennbarkeit bedeutet dies nicht. Bei Überhitzung, etwa infolge mechanischer Beschädigung, können brennbare Gase austreten, die sich durch eine externe Flamme an Luft entzünden lassen.

LiFePO₄ wurde 1997 erstmals als Akkumaterial vorgeschlagen. Die zunächst geringe Leitfähigkeit für Ionen und Elektronen begrenzte die Leistungsdichte. Verbesserungen wurden durch LiFePO₄-Nanoteilchen, Kohlenstoffbeschichtungen und Dotierung erreicht; als Dotierung werden beispielsweise Yttrium in LiFeYPO₄ oder Schwefel genannt. Im Unterschied zu LiCoO₂ wird bei LFP der gesamte Lithiumanteil genutzt. Bei LiCoO₂ sind nur 50–60 % nutzbar, weil sonst die Schichtstruktur instabil wird; bei Li₂Mn₂O₄ sind 50 % nutzbar.

Der Lithiumanteil in LiFePO₄ beträgt rund 4,5 Gewichtsprozent. Für 1000 Wh Energieinhalt benötigt ein LFP-Akku etwa 11,3 mol beziehungsweise ungefähr 80 g Lithium; Lithium-Cobalt- oder Lithium-Mangan-Akkus benötigen etwa 20 mol beziehungsweise 140 g. Die Energiedichte erreicht 210 Wh/kg, während sie 2015 noch bei ungefähr 140 Wh/kg lag. Einen Memory-Effekt wie beim Nickel-Cadmium-Akkumulator gibt es nicht. Zwischenladen und Zwischenentladen sind möglich; lange Lagerung im vollständig geladenen oder nahezu entladenen Zustand verringert jedoch die Lebenserwartung.

Spannung, Ladezustand und Bauformen

Die genaue Spannung hängt vom Zelltyp und Hersteller ab. Die Ladeschlussspannung liegt meist bei 3,6–3,65 V; Schutzschaltungen gegen Überladung sprechen häufig bei 3,8 V an. Die Entladeschlussspannung beträgt meist 2,0 V, bei manchen Typen knapp über 2,5 V. Zwischen 10 % und 90 % Ladezustand verändert sich die Zellspannung beim Laden und Entladen nur wenig. Nahe dem Ladeende steigt sie stark an, nahe dem Entladeende fällt sie stark ab. Ladeschlussspannungen von 3,4–3,5 V und geringere Entladetiefen erhöhen die nutzbare Zyklenzahl und damit die Lebensdauer.

Das flache Spannungsprofil erschwert allerdings die Bestimmung des Ladezustands allein durch Spannungsmessung. Kleine, vom vorherigen Ladezustand abhängige Verschiebungen der Ladespannung um wenige Millivolt wurden als „Memory-Effekt“ bezeichnet. Sie beruhen auf Phasenübergängen einzelner Partikel des Aktivmaterials, treten nach bisherigen Erkenntnissen nur bei LiFePO₄-Elektroden und ähnlichen Olivingruppen auf und sind nicht mit dem Memory-Effekt von NiCd- und NiMH-Akkus vergleichbar. Der Effekt ist zeitlich begrenzt, durch Laden umkehrbar und beeinträchtigt Leistung sowie Lebensdauer nicht direkt. Er kann aber spannungsbasierte Ladezustandsanzeigen verfälschen.

Es gibt wenige genormte Bauformen. Rundzellen werden überwiegend bis in den unteren zweistelligen Ah-Bereich angeboten. Beispiele sind 18650-Zellen mit etwa 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge sowie 26650-Zellen mit etwa 26 mm Durchmesser und 65 mm Länge. Zellen des Typs 38140 haben etwa 38 mm Durchmesser, etwa 140 mm Länge, wiegen rund 400 g und besitzen M6-Polverschraubungen; sie werden vor allem industriell eingesetzt.

Flachzellen gibt es als Folienzellen und quaderförmige Zellblöcke. Folienzellen reichen vom mAh-Bereich bis in den zweistelligen Ah-Bereich und sind sorgfältig zu behandelnde Zwischenprodukte für Akkupacks oder den direkten Gehäuseeinbau. Große quaderförmige Kunststoffgehäuse mit Schraubanschlüssen im Bereich von etwa 20–1000 Ah enthalten mehrere parallel zusammengefasste Folienzellen. Sie sind einfacher zu handhaben, haben aber ebenfalls keine genormten Abmessungen.

Stärken, Grenzen und Ersatz von Bleiakkus

Zu den wichtigen Vorteilen zählen hohe Lade- und Entladeströme. Möglich sind Ladeströme von 0,5 C bis 4,5 C, Impulsladeströme bis 6 C für 10 s sowie bei manchen Zellen Dauerströme von 20 C und Impulsbelastungen bis 50 C. Die C-Rate setzt Strom und Kapazität ins Verhältnis: Bei einem 50-Ah-Akku entsprechen 2 C einem Strom von 100 A. Der Wirkungsgrad eines vollständigen Lade- und Entladezyklus liegt über 91 %.

LFP-Zellen sind sehr zyklenfest. Genannte Herstellerangaben reichen von 74 % Restkapazität nach 8000 Zyklen bei 100 % Entladungsgrad (DoD) über mehr als 85 % Restkapazität nach 10.000 Zyklen bei 100 % DoD bis zu mehr als 5000 Zyklen bei Entladung auf 70 % DoD. Bei nur 10 % Entladung werden 10.000 Zyklen genannt. Weitere Vorteile sind geringe Selbstentladung von etwa 3–5 % monatlich, ein Lagerbereich üblicherweise von −15 bis +60 °C und der Verzicht auf Kobalt. Hohe Stromentnahme über 0,5 C unter etwa +10 °C kann stärkere Spannungseinbrüche verursachen, ohne merklichen Kapazitätsverlust. LYP-Akkus mit erweitertem Betriebsbereich von −45 bis +85 °C sind nicht mit den hier beschriebenen LFP-Akkus gleichzusetzen.

Nachteile sind die erschwerte Ladezustandsbestimmung und die Notwendigkeit von Balancerschaltungen sowie eines Batteriemanagementsystems (BMS). Die Zellen sind weder überlade- noch tiefentladefest. Gegenüber Bleiakkus bieten sie bei Zyklenfestigkeit, Baugröße, Kapazität und Gewicht deutliche Vorteile, kosten aber mehr; zusätzlich werden Balancer benötigt.

Zwei LFP-Zellen in Reihe haben eine Nennspannung von 6,4 V und können daher einen 6-V-Bleiakku mit drei Zellen ersetzen. Vier LFP-Zellen können einen 12-V-Bleiakku mit sechs Zellen ersetzen. Dabei lassen sich häufig Gewicht und Bauraum sparen. Der Ersatz von Lithium-Ionen-Akkus auf Kobaltbasis oder Lithium-Polymer-Akkus ist schwieriger, weil diese typischerweise 3,6 V beziehungsweise 3,7 V Zellenspannung haben. Vorhandene Ladegeräte, Balancer und BMS lassen sich selten umkonfigurieren. Bei Teslas Model 3 zeigte sich außerdem Kälteempfindlichkeit.

Lebensdauer, Betrieb und Preisentwicklung

Je nach Einsatz werden LFP-Akkus entweder auf hohe Energiedichte, etwa als Traktionsbatterie in Elektrofahrzeugen, oder auf hohe Stromabgabe, etwa als Puffer- oder Starterbatterie, ausgelegt. Bei passender Auslegung und Betriebsweise können sie ein ganzes Fahrzeugleben ohne Austausch funktionieren.

Hohe Temperaturen fördern zwar die Beweglichkeit der Elektronen und chemische Prozesse, oberhalb von etwa 40 °C aber auch Oberflächenschichten auf den Elektroden. Dies beschleunigt Alterung, Kapazitätsverlust und den Rückgang der Strombelastbarkeit. Besonders nach Alterung verschlechtert Kälte die Leistungsfähigkeit. Nach 600 Zyklen wurde eine Kapazitätsabnahme von 14,3 % bei 45 °C und 25,8 % bei −10 °C festgestellt. Die Leistungsabnahme bei Entladeimpulsen betrug nach 600 Zyklen 61,6 % bei 0 °C und 77,2 % bei −10 °C, während sie bei 45 °C kaum sank.

Geringe Entladetiefen verlängern Lebensdauer und möglichen Energieumsatz deutlich. Tiefes Spannungsniveau und Lagerung im entladenen Zustand lösen irreversible Prozesse aus. Winston empfiehlt, eine Traktionsbatterie so auszulegen, dass regelmäßig weniger als 70 % ihrer Kapazität entladen werden. Auch an der oberen Spannungsgrenze treten irreversible Prozesse auf; Überladung schädigt die Zelle dauerhaft. Dauer- oder Erhaltungsladen an der oberen Spannungsgrenze ist wegen der geringen Selbstentladung nicht nötig und schadet der Lebensdauer. Nach Erreichen des Vollladekriteriums soll der Ladestrom abgeschaltet werden.

Gleichmäßige Strombelastung ist günstig. Häufige extreme Stromspitzen, hohe Ladeströme, Rekuperation und Schnellladen über 1 C erhöhen den Verschleiß. Bei CHAdeMO endet die Hochstromladung zur Zellschonung daher etwa bei 80 % der Nennkapazität. Eine Studie von 2012 zu A123-Zellen nennt niedrige Spitzenströme, einen engen Ladezustandsbereich und geringe Ladeströme als Bedingungen für die längste Lebensdauer.

Laut einer Bloomberg-New-Energy-Studie vom Juli 2024 fielen die Preise für LFP-Akkus in China binnen zwölf Monaten um 51 % auf 53 US-Dollar pro kWh. Der weltweite Durchschnitt hatte ein Jahr zuvor bei 95 US-Dollar pro kWh gelegen. Als Gründe werden niedrigere Rohstoffpreise, Überkapazitäten und verbesserte Technologie sowie Herstellungsprozesse genannt.

Weiterentwicklung und LMFP

LFP war bei Elektroautos lange ein Nischenprodukt, weil NMC-Kathoden eine vergleichsweise hohe Energiedichte boten. In den 2020er-Jahren nahm seine Bedeutung zu: Auf Zellebene wurden 2020 200 Wh/kg und 2021 210 Wh/kg erreicht; für 2023 wurden 230–260 Wh/kg angekündigt. Durch Cell-to-Pack stieg ab 2022 auch die relative Energiedichte. Ende 2022 entfielen 31 % der LFP-Zellen in Elektroautos auf diese Technik, und 2023 waren LFP-Akkus im Durchschnitt 32 % günstiger als NMC-Akkumulatoren.

LMFP steht für Lithium-Mangan-Eisenphosphat und ist eine LFP-Variante, bei der die Eisenphosphat-Gitterstruktur mit Mangan angereichert wird. Dies kann Kapazität um etwa 15 % erhöhen und die Zellspannung sowie Energiedichte steigern. Manganreiche Materialien können sich jedoch im Elektrolyten auflösen und dadurch schneller altern. Mangan leitet schlechter als LFP; zusätzliches Graphit verbessert die Leitfähigkeit, kann aber Brüchigkeit verursachen, die der Jahn-Teller-Effekt verstärkt. Dotierungen mit Magnesium, Aluminium und Zink stabilisieren die Kristallstruktur. Die komplexe Struktur und Dotierung machen LMFP zunächst teurer als LFP.

CATL stellte im August 2023 die Weiterentwicklung Shenxing vor, die mit 4 C laden können soll. Für Shenxing Plus wurden im April 2024 205 Wh/kg auf Packebene genannt. Im März 2025 stellte BYD eine neue Blade-Batterie als LFP-Akku mit 10 C Laderate vor. CATL präsentierte im April 2025 die zweite Shenxing-Generation mit 12 C; theoretisch sei Laden in fünf Minuten möglich, bei mehr als 1,3 MW maximaler Ladeleistung. Bei −10 °C soll sie in 15 Minuten von 5 auf 80 % laden.

Einsatzgebiete und Markt

LFP-Akkus werden häufig in batterieelektrischen Fahrzeugen eingesetzt, darunter Elektroautos, Batteriebusse und Elektrolastkraftwagen. Als Starterakkus für Verbrennungsmotoren dienen prismatische Blöcke oder zusammengestellte Rundzellen. Porsche bot 2010 als erster Automobilhersteller gegen Aufpreis ab Werk eine LiFePO₄-Starterbatterie an.

Stationäre Batteriespeicher nutzen LFP-Akkus zur Speicherung regenerativer Energie und zur Netzstabilisierung. Bezogen auf die Leistung aller 2014 geplanten Lithium-Ionen-Speicherkraftwerke basierten 39 % auf Lithiumeisenphosphat. Ein Batteriespeicherkraftwerk in Shenzhen verwendet 40 MWh. Weitere Anwendungen sind Elektrowerkzeuge, der 100-Dollar-Laptop, RC-Modellbau, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Zellblöcke bis 30.000 Ah in U-Booten. Im RC-Modellbau können sie innerhalb von 15–20 Minuten vollständig geladen werden; gewöhnliche Lithium-Polymer-Akkus benötigen häufig mehr als eine Stunde, wenn keine Einbußen bei der Lebensdauer in Kauf genommen werden sollen.

Nach chinesischen Firmenangaben lagen die Marktanteile 2021 bei 44 % für chinesische, 35 % für koreanische und 14 % für japanische Unternehmen. Zu den führenden genannten Herstellern gehören CATL, LG Chem, Panasonic, BYD, SK Innovation, Samsung SDI, CALB und Gotion High-tech. CATL beliefert Tesla seit 2020 mit LFP-Batterien. BYD baut Zellen sowohl in eigene Elektrofahrzeuge als auch in stationäre Stromspeicher ein; der BYD ebus wird als weltweit erster Batteriebus mit Lithium-Eisenphosphat-Akkus bezeichnet.