In den letzten zwanzig Jahren haben sich Lithium-Ionen(Li-Ion)-Batterien zur ersten Wahl für zahlreiche Anwendungen mit Aufladefunktion entwickelt – von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen. Aber nicht alle Lithium-Ionen-Batterien sind gleich. Und wenn es um eine umweltfreundliche, grüne Lösung geht, ist die LiFePO(LFP)-Batterie der klare Sieger.
Was spricht für Lithium-Ionen-Batterien gegenüber anderen wiederaufladbaren Systemen wie Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder der ehrwürdigen Blei-Säure-Batterie? Mit der Ordnungszahl 3 ist Lithium das leichteste Metall. Es bietet das größte elektrochemische Potenzial und liefert die meiste spezifische Energie pro Gewicht – beides enorme Vorteile für eine Batterie. Leider ist metallisches Lithium auch instabil, brennbar und potenziell explosiv, wenn es Luft oder Wasser ausgesetzt wird. Die Forschung konzentriert sich daher seit Jahren auf Batterien, die auf stabileren Lithiumverbindungen basieren.
Die Hauptkomponenten einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezelle sind eine positive Elektrode (Kathode), eine negative Elektrode (Anode) und ein Elektrolyt. Die Kathode besteht aus einer interkalierten Lithiumverbindung – also mit Schichtstruktur, die die reversible Einschließung oder Einfügung eines Lithium-Ions beim Laden oder Entladen ermöglicht. Es gibt mehrere gebräuchliche Kathodenverbindungen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Anode besteht üblicherweise aus Graphit.
Der flüssige Elektrolyt besteht aus Lithiumsalzen in einem organischen Lösungsmittel wie Ethylencarbonat oder Dimethylcarbonat. Im Betrieb wandern Lithium-Ionen beim Entladen von der Anode zur Kathode und beim Laden in umgekehrter Richtung. Ein Lithium-Polymer-Akku (LiPo) verwendet ein Polymergel als Elektrolyt.
Lithium-Ionen besitzen eine nominelle Zellenspannung von 3,6 V, die höher als von NiMH (1,5 V) und Blei-Säure (2,0 V) ist. Infolgedessen müssen weniger Zellen in Reihe angeordnet werden, um hohe Spannungen für Anwendungen wie EV-Traktionsmotoren zu erzeugen.
LFP – die beste Wahl für den Planeten
Wie der Name schon sagt, verwendet die LFP-Batterie eine von Lithium-Ionen abgeleitete Chemie und weist auch viele Vor- und Nachteile anderer Arten von Lithium-Ionen-Batterien auf. Alle Lithium-Ionen-Batterien verbrauchen während der Herstellung Energie und machen den Abbau von Lithium und anderen wichtigen Bestandteilen erforderlich. Wenn es jedoch um das Wohl des Planeten geht, gibt es erhebliche Unterschiede zwischen ihnen.
Für häufig verwendete Kathoden wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid („NMC“) oder Lithium-Kobaltoxid LiCoO2 werden Materialien – Nickel und Kobalt – benötigt, die sowohl knapp als auch teuer sind. Im Zusammenhang mit dem Kobaltabbau bestehen weiterhin Menschenrechtsbedenken, z. B. Sicherheit der Minen und Kinderarbeit. Der Nickelabbau geht mit verschiedenen Umweltproblemen einher, z. B. Treibhausgasemissionen, Zerstörung von Lebensräumen und Kontamination von Luft, Wasser und Boden.
Die LFP-Batterie verwendet Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) als Kathode, zusammen mit einer Anode aus Graphit, deren Rückseite aus Metall besteht. Die Materialien der LFP-Kathode – Eisen und Phosphat – sind kostengünstig, ungiftig und reichlich vorhanden.
Grüne Anwendungen für LiFePO4-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien finden Verwendung in Notstromversorgungen und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Geräten der Unterhaltungsindustrie, z. B. Smartphones und Laptops, sowie in Elektrofahrzeugen und Energiespeichern.
Beispielsweise werden für Elektrofahrzeuge (EV) NMC-Batterien aufgrund ihrer höheren Energiedichte bevorzugt, die sich in einer größeren Reichweite bei einer bestimmten Größe niederschlägt – eine zentrale Anforderung in der beengten Umgebung eines EV.
Bei der Energiespeicherung ist es am dringlichsten, Angebot und Nachfrage für grüne Stromanwendungen wie Wind oder Sonne auszugleichen, die Strom mit minimalen CO2-Emissionen erzeugen.
Die Akzeptanz von Sonnen- und Windenergie nimmt rapide zu. Laut dem Analystenunternehmen BNEF für grüne Energie ist der Preis für Solar-PV-Module von 2010 bis 2019 um 89 % gefallen und sollte bis 2030 um weitere 34 % sinken. Das Ergebnis war ein starker Anstieg von Solarinstallationen sowohl auf Wohnhäusern als auch bei Versorgungsunternehmen. Ebenso sind die Preise für Windenergie in den letzten zehn Jahren um 70 % gefallen. Aber der Wind weht nicht immer und die Sonne scheint nicht immer. Daher sind PV- und Windanlagen auf Energiespeichersysteme angewiesen, um eine konstante Stromquelle bereitzustellen.
Die Energiedichte ist nicht die größte Sorge für die Entwickler von Energiespeichersystemen. Vielmehr konzentrieren sie sich auf andere Aspekte wie die langfristige Batterieverschlechterung, die von mehreren Aspekten wie Temperatur, Ladezustand und Lastprofil abhängt. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Notwendigkeit regelmäßiger Wartung, da sich viele Solar- und Windanlagen an abgelegenen Orten befinden und über längere Zeiten unbeaufsichtigt sind.
LFP-Batterien bieten mehrere Vorteile gegenüber Blei-Säure-Batterien oder anderen Lithium-Batterietechnologien zur Energiespeicherung. Im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien sind sie inhärent stabil, nicht brennbar und frei von Ausgasungen, Dämpfen und Lecks. Ihre Lebensdauer ist bis zu zehnmal so hoch wie die von Blei-Säure-Batterien, was niedrigere Gesamtbetriebskosten (TCO) bedeutet.
Das Brandrisiko ist ein weiterer wichtiger Punkt, insbesondere bei PV-Anlagen auf Wohngebäuden. Bekannt gewordene Vorfälle wie die Brände im Boeing Dreamliner und Bilder von geschmolzenen Elektrofahrzeugen haben die Öffentlichkeit für das Brandrisiko von Lithium-Ionen-Batterien aufgrund thermischer Instabilität sensibilisiert. Im Gegensatz zu anderen Lithium-Ionen-Batteriechemien wie NMC ist die Toleranz von LFP für thermische Instabilität um über 100 °F höher. Das führt zu großen Sicherheitsunterschieden zwischen den beiden Chemien. Eine NMC-Batterie fängt deutlich häufiger Feuer als eine LFP-Batterie. Ebenso behält LFP bei konstanter Zyklisierung unter normalen Betriebsbedingungen eine stabilere Innentemperatur bei. Infolgedessen eignet sich LFP hervorragend zum Speichern von Solarstrom in Privathaushalten.
Einfaches Recycling
Die Entsorgung bzw. das Recycling von Batterien ist nach wie vor ein großes Umweltproblem. Jedes Jahr werden mehr als drei Millionen Tonnen Blei-Säure-Batterien entsorgt. Ein Teil davon wird sicher recycelt, um Blei und andere Materialien zurückzugewinnen. Viele Batterien landen jedoch auf Mülldeponien, vor allem in Entwicklungsländern. Die Giftstoffe können Brände und Explosionen verursachen sowie Nahrungsmittel und Wasser für Generationen vergiften.
Aufgrund der langen Lebensdauer von Lithiumbatterien, die zum Speichern und Transport von Energie verwendet werden, sind viele dieser Batterien noch in Gebrauch, sodass die Recyclingprozesse noch in den Kinderschuhen stecken. Nur 50 % der 180.000 Tonnen Lithium-Ionen-Batterien, die 2019 für das Recycling zur Verfügung standen, wurden tatsächlich recycelt; der Rest wurde einfach entsorgt. Je mehr Lithium-Ionen-Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, desto effizienter wird das Recycling.
Unabhängig vom Typ können Lithium-Ionen-Batterien recycelt werden, um die in ihren Elektroden, Kabeln und Gehäusen verwendeten Materialien zurückzugewinnen. Die Verfügbarkeit recycelter Batterien nimmt mit den technologischen Fortschritten der Branche zu. Mit Elektroden aus ungiftigen Materialien stellen LiFePO4-Batterien ein weitaus geringeres Risiko für die Umwelt dar als Blei-Säure-Batterien oder andere Lithium-Ionen-Chemien.
Fazit: LFP ist die grüne Wahl bei Batterien
Die Herstellung von Batterien jeglicher Art erfordert Energie und Ressourcen. Lithium-Eisenphosphat-Batterien bieten gegenüber anderen Technologien in Bezug auf Ressourcenverbrauch und Sicherheit jedoch mehrere Vorteile. Sie können beim Einsatz in Wind- und Solaranlagen zur Reduzierung der CO2-Emissionen beitragen.