[Vollständiger Leitfaden] Vergleich der Unterschiede zwischen LiFePO4 Akkus und Li-Ionen Batterien

Wenn Sie elektronische Geräte, Elektroautos, netzunabhängige Stromversorgungslösungen oder medizinische Geräte mit Strom versorgen wollen, ist die Wahl des richtigen Akkus entscheidend. Zwei der beliebtesten Arten von Akkus, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind, sind LiFePO4 Batterien und Lithium-Ionen Akkus. In diesem Artikel gehen wir auf die Unterschiede und Vorteile der beiden Akkutypen ein und helfen Ihnen bei der Entscheidung, welcher für Ihre Bedürfnisse am besten geeignet ist.

Teil 1. LiFePO4 Batterien

Lithium-Eisen-Phosphat Akkus (LiFePO4 Akkus) sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus, die als Kathodenmaterial Eisenphosphat anstelle von Kobalt, Nickel oder Mangan verwenden. Sie ist bekannt für ihre hohe Sicherheit, lange Lebensdauer und stabile Leistung.

Im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien hat LiFePO4 eine geringere Energiedichte, ist aber weniger anfällig für thermisches Durchgehen, einen gefährlichen Zustand, bei dem die Batterie überhitzt und sich entzündet. Dadurch eignen sich LiFePO4-Batterien ideal für Anwendungen, bei denen Sicherheit an erster Stelle steht, wie z. B. bei Elektrofahrzeugen, Solaranlagen und tragbaren elektronischen Geräten.

LiFePO4-Batterien haben eine Nennspannung von 3,2 Volt pro Zelle und könnenin Reihe oder parallel geschaltet werden, um höhere Spannungen oder Kapazitäten zu erreichen. Sie können auch mit hohen Strömen geladen und entladen werden, ohne dass es zu nennenswerten Kapazitätsverlusten oder Leistungseinbußen kommt.

Teil 2. Li-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sind wiederaufladbare Batterien, die Lithium-Ionen als Hauptbestandteil ihres Elektrolyten verwenden. Sie werden häufig in tragbaren elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und anderen Anwendungen verwendet, die eine hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung und eine lange Lebensdauer erfordern.

Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer oder mehreren Zellen, die jeweils eine positive Elektrode (Kathode), eine negative Elektrode (Anode) und einen Elektrolyten enthalten, der die Bewegung von Lithiumionen zwischen den Elektroden beim Laden und Entladen ermöglicht.

Eines der Hauptmerkmale von Lithium-Ionen-Batterien ist ihre hohe Energiedichte, was bedeutet, dass sie viel Energie in einem kleinen Volumen speichern können. Dadurch sind sie ideal für tragbare Geräte und Elektrofahrzeuge, bei denen der Platz begrenzt ist. Außerdem haben sie im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batterien eine relativ geringe Selbstentladungsrate, was bedeutet, dass sie eine Ladung über einen längeren Zeitraum ohne nennenswerten Kapazitätsverlust halten können.

Allerdings haben Lithium-Ionen-Akkus auch einige Nachteile. Sie reagieren empfindlich auf hohe Temperaturen und Überladung, was dazu führen kann, dass sie schnell abbauen oder sogar Feuer fangen. Außerdem haben sie eine begrenzte Lebensdauer, da die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen abhängig von Faktoren wie Temperatur, Entladetiefe und Ladespannung variiert.

Teil 3. Vollständiger Vergleich von LiFePO4- und Li-Ionen-Batterien

In diesem Teil führen wir einen umfassenden Vergleich zwischen LiFePO4- und Li-Ionen-Batterien durch und analysieren deren Unterschiede in Aspekten wie DOD, Spannung, Selbstentladungsrate und mehr.

Entladungstiefe (DOD)

Wenn es um die Entladetiefe (DOD) geht, schneiden LiFePO4 Batterien tendenziell besser ab als Lithium-Ionen-Batterien. LiFePO4 Akkus können bis zu 100% entladen werden, ohne dass es zu negativen Auswirkungen auf die Lebensdauer kommt. Andererseits kann das Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus unter den empfohlenen DOD zu einer dauerhaften Beschädigung des Akkus führen oder ihn sogar unbrauchbar machen.

Im Allgemeinen liegt der empfohlene DOD für eine Lithium-Ionen-Batterie bei etwa 80%, während der empfohlene DOD für LiFePO4 typischerweise bei etwa 100% liegt. Das bedeutet, dass LiFePO4 Akkus mehr nutzbare Energie liefern können als Lithium-Ionen-Akkus, da sie vollständig entladen werden können, ohne den Akku zu beschädigen. Darüber hinaus bedeutet dies, dass Sie mit einem LiFePO4-Akku mehr Energie erhalten als mit einem Lithium-Ionen-Akku gleicher Kapazität.

Es ist jedoch erwähnenswert, dass ein Lithium-Ionen-Akku im Vergleich zu einem LiFePO4-Akku immer noch ein hohes Leistungsniveau bei geringerem DOD bieten kann. Es ist wichtig, die spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung zu berücksichtigen und eine Batterie entsprechend auszuwählen, da sowohl LiFePO4- als auch Lithium-Ionen-Batterien ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften und Vorteile haben.

Stromspannung

Li-Ionen- und LiFePO4-Batterien unterscheiden sich in ihren Nennspannungswerten. Li-Ionen-Batterien haben typischerweise einen höheren Nennspannungsbereich von 3,6–3,7 V pro Zelle, während LiFePO4-Batterien eine Nennspannung von etwa 3,2 V pro Zelle haben, sodass mehr Zellen erforderlich sind, um die gleiche Ausgangsspannung zu erreichen.

Beispielsweise benötigt ein standardmäßiger 12V Lithium-Ionen-Akku nur 3 oder 4 in Reihe geschaltete Zellen, während ein 12V LiFePO4 Akku 4 oder 5 Zellen benötigt, um das gleiche Spannungsniveau zu erreichen. Obwohl LiFePO4 möglicherweise zu etwas größeren und schwereren Batterien führt, bietet es mehrere Vorteile wie größere Sicherheit, längere Lebensdauer und einen größeren Betriebstemperaturbereich.

Es ist unbedingt zu beachten, dass LiFePO4 Akkus zwar eine niedrigere Nennspannung als Li-Ionen-Akkus haben, aber einen höheren Entladestrom ohne nennenswerten Spannungsabfall liefern können. Durch einen geringeren Innenwiderstand können LiFePO4 Batterien eine hohe Leistungsabgabe bei minimalem Energieverlust liefern.

Selbstentladungsrate

Unter der Selbstentladungsrate versteht man die Geschwindigkeit, mit der ein Akku im Laufe der Zeit seine Ladung verliert, auch wenn er nicht verwendet wird. Dabei handelt es sich um einen natürlichen Prozess, der bei allen Batterietypen abläuft und durch verschiedene Faktoren wie Temperatur, Batteriealter und Lagerbedingungen beeinflusst werden kann. Eine Batterie mit einer höheren Selbstentladungsrate verliert ihre Ladung schneller und hat eine kürzere Lebensdauer als eine Batterie mit einer geringeren Selbstentladungsrate.

Wenn es um die Selbstentladungsrate geht, weisen LiFePO4 Akkus im Vergleich zu Li-Ionen-Akkus eine deutlich geringere Rate auf.

Im Durchschnitt verlieren Li-Ionen-Akkus etwa 5–10 % ihrer Ladung pro Monat, während LiFePO4-Akkus nur etwa 2–3 % pro Monat verlieren.

Das bedeutet, dass Li-Ionen-Akkus in einem Jahr Lagerung bis zu 60 % ihrer Ladung verlieren können, während LiFePO4 Akkus im gleichen Zeitraum nur etwa 20–30 % verlieren würden. Dadurch eignen sich LiFePO4-Batterien viel besser für Anwendungen, bei denen eine Langzeitspeicherung erforderlich ist, beispielsweise in Systemen für erneuerbare Energien oder bei Schiffsanwendungen.

Energiedichte

Im Allgemeinen haben Lithium-Eisenphosphat Batterien (LiFePO4 Akkus) eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion). LiFePO4 Batterien haben eine Energiedichte von etwa 120–160 Wh/kg, während Li-Ionen-Batterien eine Energiedichte von bis zu 200–300 Wh/kg oder mehr haben können.

Einer der Gründe für die geringere Energiedichte in LiFePO4 Solarbatterien ist die größere Größe ihrer Kathodenpartikel, was zu einer geringeren Oberfläche und weniger aktiven Stellen für die Einlagerung von Lithiumionen beim Laden und Entladen führt. Ein weiterer Grund ist die niedrigere Spannung von LiFePO4-Akkus (3,2V pro Zelle) im Vergleich zu Li-Ionen-Akkus (3,6–3,7V pro Zelle), was bedeutet, dass mehr Zellen benötigt werden, um eine bestimmte Spannung zu erreichen.

Gewicht

Im Allgemeinen sind LiFePO4Batterien bei gegebener Energiekapazität tendenziell etwas schwerer als Li-Ionen-Batterien.

Dies liegt daran, dass LiFePO4 Batterien eine geringere Energiedichte als Li-Ionen Batterien haben, was bedeutet, dass sie mehr Material (wie Elektroden, Separator, Elektrolyt usw.) benötigen, um eine äquivalente Energiemenge zu speichern. Darüber hinaus verwenden LiFePO4-Batterien typischerweise dickere Elektroden und Separatoren, was ihr Gesamtgewicht erhöht.

Beispielsweise kann ein typischer LiFePO4 Akku mit 12V und 100Ah, der in Elektrofahrzeugen oder Solarstromanlagen verwendet wird, etwa 30–40 kg wiegen, während ein ähnlicher Li-Ionen-Akku etwa 20–30 kg wiegen kann. Es ist jedoch zu beachten, dass das Gewicht nur ein Faktor ist, der bei der Auswahl einer Batterie berücksichtigt werden muss, und dass je nach Anwendung auch andere Faktoren wie Sicherheit, Kosten, Lebensdauer und Betriebstemperaturbereich wichtig sein können.

Temperaturbereich

Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4 Akkus) haben einen größeren Temperaturbereich als Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion). LiFePO4-Batterien können normalerweise in einem Temperaturbereich von -20 °C bis 60 °C (-4 °F bis 140 °F) betrieben werden, während Li-Ionen-Batterien normalerweise in einem engeren Temperaturbereich von -20 °C bis 45 °C betrieben werden ( -4°F bis 113°F).

Einer der Gründe für diesen Unterschied ist, dass LiFePO4-Batterien eine stabilere Chemie haben und weniger anfällig für thermisches Durchgehen sind, ein gefährlicher Zustand, bei dem die Batterie überhitzt und sich entzündet. Dadurch eignen sich LiFePO4-Batterien für Anwendungen, bei denen hohe Temperaturen auftreten können, wie etwa Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energiesysteme und militärische Anwendungen.

Im Gegensatz dazu reagieren Li-Ionen-Akkus empfindlicher auf hohe Temperaturen und können sich schnell verschlechtern oder sogar Feuer fangen, wenn sie extremen Temperaturen oder Bedingungen ausgesetzt werden. Daher sind Li-Ionen-Batterien typischerweise mit Wärmemanagementsystemen wie Kühlventilatoren oder Kühlkörpern ausgestattet, um eine Überhitzung zu verhindern.

Es ist jedoch zu beachten, dass der spezifische Temperaturbereich einer Batterie auch von anderen Faktoren wie der Batteriekonfiguration, der Verpackung und den Betriebsbedingungen abhängt. Generell sollten sowohl LiFePO4- als auch Li-Ionen Akkus innerhalb der angegebenen Temperaturbereiche betrieben werden, um optimale Leistung und Sicherheit zu gewährleisten.

Lebensdauer

Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4 Akkus) haben eine längere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion). Li-Ionen-Batterien haben normalerweise eine Lebensdauer von etwa 500–1500 Zyklen, während LiFePO4-Batterien typischerweise bis zu 2000–5000 Zyklen halten können. Mit Zellen der Klasse A können Timeusb LiFePO4-Batterien bis zu 4000–15000 Zyklen halten.

Einer der Gründe für diesen Unterschied ist, dass LiFePO4-Batterien eine stabilere Chemie haben und weniger anfällig für eine Verschlechterung während der Lade- und Entladezyklen sind. Das in Batterie LiFePO4 verwendete Eisenphosphat-Kathodenmaterial ist außerdem widerstandsfähiger gegen Oxidation und Korrosion, was dazu beiträgt, die Kapazität und Leistung der Batterie über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten.

Im Gegensatz dazu reagieren Li-Ionen-Batterien empfindlicher auf Zyklen und können im Laufe der Zeit aufgrund von Faktoren wie Elektrodenverschlechterung, Elektrolytzerfall und Innenwiderstand an Kapazität verlieren. Dies kann insbesondere bei hoher Belastung oder extremen Temperaturen zu einer verringerten Laufzeit und Leistung führen.

Es ist jedoch zu beachten, dass die spezifische Lebensdauer einer Batterie von vielen Faktoren abhängt, wie z. B. der Entladetiefe, der Ladespannung, der Temperatur und dem Nutzungsverhalten. Im Allgemeinen können sowohl Akkus LiFePO4 als auch Li-Ionen-Batterien viele Jahre lang zuverlässig funktionieren, wenn sie innerhalb ihrer spezifizierten Parameter betrieben und ordnungsgemäß gewartet werden.

Sicherheit

Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4 Akkus) gelten im Allgemeinen als sicherer als Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion Batterien), insbesondere bei bestimmten Anwendungen, bei denen die Sicherheit an erster Stelle steht.

Einer der Gründe für diesen Unterschied ist, dass LiFePO4-Batterien im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien eine stabilere und robustere Chemie aufweisen. Das in LiFePO4-Batterien verwendete Eisenphosphat-Kathodenmaterial ist widerstandsfähiger gegen thermisches Durchgehen, einen gefährlichen Zustand, bei dem die Batterie überhitzt und sich entzündet. Dadurch sind LiFePO4-Batterien selbst unter extremen Bedingungen wie Überladung, Kurzschlüssen oder mechanischem Missbrauch weniger anfällig dafür, Feuer zu fangen oder zu explodieren.

Im Gegensatz dazu sind Li-Ionen-Batterien aufgrund ihrer höheren Energiedichte und reaktiveren Kathodenmaterialien wie Lithium-Kobaltoxid oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid anfälliger fürThermal Runaway. Ein thermisches Durchgehen kann zu einem katastrophalen Ausfall der Batterie führen und giftige Gase, Flammen und manchmal Explosionen freisetzen.

Es ist jedoch zu beachten, dass sowohl LiFePO4- als auch Li-Ionen-Batterien sicher sein können, wenn sie ordnungsgemäß konstruiert, hergestellt und innerhalb ihrer spezifizierten Parameter betrieben werden. Faktoren wie Zelldesign, Verpackung, Qualitätskontrolle und Sicherheitsfunktionen wie Schutzschaltungen und Wärmemanagementsysteme können alle eine Rolle bei der Gewährleistung eines sicheren und zuverlässigen Batteriebetriebs spielen.

Kosten

Li-Ionen Akkus sind im Allgemeinen günstiger und weit verbreiteter als LiFePO4 Akkus. Dieser Kostenvorteil ist zum Teil auf die höhere Energiedichte von Li-Ionen-Batterien zurückzuführen, die es ihnen ermöglicht, mehr Energie pro Volumen- oder Gewichtseinheit zu speichern, was sie für bestimmte Anwendungen kostengünstiger macht.

LiFePO4-Batterien hingegen sind aufgrund ihrer geringeren Energiedichte und der Verwendung teurerer Materialien bei ihrer Konstruktion typischerweise teurer. Allerdings haben LiFePO4 Batterien eine längere Lebensdauer und höhere Sicherheitsstandards als Li-Ionen-Batterien, was zu geringeren langfristigen Kosten und einem geringeren Risiko für bestimmte Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Speichersysteme für erneuerbare Energien führen kann.

Beispielsweise kostet eine Timeusb 12V 200Ah Plus Deep Cycle LiFePO4 Batterie699,99 €, sie hat mehr als 4000 Zyklen bei 100 % DOD und kann mehr als 10 Jahre lang verwendet werden, was weniger als 2 € pro Tag bedeutet.

Teil 4. Anwendungsvergleich von LiFePO4- und Li-Ionen-Batterien

LiFePO4 Batterien und Li-Ionen-Akkus haben unterschiedliche Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungen besser geeignet machen. Hier ist ein Vergleich der Anwendungen für jeden Batterietyp:

LiFePO4 Batterie:

Elektrofahrzeuge (EVs): LiFePO4 Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energieeffizienz, lange Lebensdauer und hervorragende Sicherheitsmerkmale aus, was sie zu einer beliebten Wahl für Elektrofahrzeuge macht.

Solarspeichersysteme: LiFePO4 Lithiumbatterien halten hohen Temperaturen und tiefen Zyklen stand und eignen sich daher zur Speicherung von Sonnenenergie.

Anwendungen in der Schifffahrt und in Wohnmobilen: LiFePO4-Batterien sind leicht, haben eine lange Lebensdauer und sind stoß- und vibrationsfest, was sie ideal für Anwendungen in der Schifffahrt und in Wohnmobilen macht.

Li-Ionen Akku:

Unterhaltungselektronik:Li-Ionen-Akkus haben eine hohe Energiedichte und eignen sich daher ideal für tragbare elektronische Geräte wie Smartphones, Laptops und Tablets.

Medizinische Geräte:Li-Ionen Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer in medizinischen Geräten eingesetzt.

Elektrowerkzeuge:Li-Ionen Akkus sind leicht, leistungsstark und können schnell aufgeladen werden, was sie ideal für den Einsatz in Elektrowerkzeugen macht.

Fazit

Sowohl Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) Akkus als auch Li-Ionen Batterien haben ihre eigenen Stärken und Schwächen und ihre geeigneten Anwendungen.

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