Die Zukunft von LFP-Batterien und Zellschutz: Erweiterung auf E-Bikes und Energiespeichersysteme

Technologie verändert unseren Alltag

Technologische Innovationen wie Smartphones, Elektrofahrräder (E-Bikes) und Photovoltaikanlagen werden durch Batterien angetrieben. Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP-Batterien) gewinnen dabei aufgrund ihrer Sicherheit, langen Lebensdauer und Kosteneffizienz zunehmend an Bedeutung. Sie überwinden viele Probleme herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und spielen eine Schlüsselrolle beim Aufbau einer nachhaltigeren Energiegesellschaft. Daher werden LFP-Batterien vermehrt in einer wachsenden Zahl von Anwendungen eingesetzt – von E-Bikes über Energiespeichersysteme für erneuerbare Energien bis hin zu Endgeräten.

Dieser Artikel behandelt die Grundlagen von LFP-Batterien, ihr Marktwachstumspotenzial, ihre Anwendungen und stellt den Self Control Protector (SCP) von Dexerials vor, eine sekundäre Schutzlösung.

Was sind LFP-Batterien?

Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP-Batterien) sind eine Art Lithium-Ionen-Batterie (LIB), die Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) als Kathodenmaterial verwendet und sich durch hohe Sicherheit und lange Lebensdauer auszeichnet. Ihre Anwendungsmöglichkeiten erweitern sich in verschiedenen Mobilitätsbereichen wie Elektrofahrzeugen (EVs) und E-Bikes sowie in Systemen zur Speicherung erneuerbarer Energien (ESS). LFP-Batterien werden voraussichtlich eine Schlüsselrolle beim Aufbau einer nachhaltigeren Energiegesellschaft spielen.

LFP-Batterien wurden erstmals 1997 in einer Veröffentlichung von Forschern der University of Texas in den USA vorgestellt. Sie wurden für ihre hohe thermische Stabilität und geringe Entzündungsgefahr gelobt. Die Kommerzialisierung kam jedoch damals aufgrund ihrer geringeren Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien mit Kathodenmaterialien auf Basis von Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) oder Nickel-Mangan-Aluminium (NMA) nicht zustande. Anfang der 2000er-Jahre verbesserte ein kanadisches Unternehmen die Batterieleistung durch den Einsatz von Nanotechnologie und Kohlenstoffbeschichtungen. Hohe Herstellungskosten und Beschränkungen durch Patentlizenzen verhinderten jedoch eine Massenproduktion.

Diese Situation änderte sich dramatisch mit dem Aufstieg Chinas, das seit den 2010er Jahren zu den führenden Herstellern von LFP-Batterien zählt. Chinesische Batteriehersteller, die Lizenzen zur Nutzung der Patente des kanadischen Unternehmens besaßen, erreichten durch die Nutzung reichlich vorhandener Rohstoffe und die starke staatliche Förderung der Elektromobilität eine kostengünstige Massenproduktion. Da LFP-Batterien keine seltenen Metalle wie Kobalt und Nickel benötigen, eigneten sie sich hervorragend für Chinas Markt für kostengünstige Elektrofahrzeuge. Infolgedessen erlangten chinesische Hersteller dank ihrer Wettbewerbsfähigkeit und Skaleneffekte schnell eine dominante Position auf dem Weltmarkt. In Europa blieben Energiedichtebatterien dominant, und LFP-Batterien fanden nur eine begrenzte Verbreitung.

Das Auslaufen wichtiger Patente für LFP-Batterien im Jahr 2022 veranlasste amerikanische und europäische Hersteller jedoch, ihren Fokus rasch auf LFP-Batterien zu verlagern. Angesichts von Bedenken hinsichtlich der Versorgungssicherheit mit Kobalt und Nickel, dem Bestreben, die Abhängigkeit von China zu verringern, und der zunehmenden Verbreitung von Elektromobilität streben amerikanische und europäische Unternehmen nun die heimische Produktion von LFP-Batterien an.

Was macht LFP-Batterien so beliebt? Herausforderungen für die nächste Batteriegeneration

LFP-Batterien gewinnen als neue Alternative zur Überwindung der Einschränkungen von Lithium-Ionen-Batterien an Bedeutung, da sie innovative Lösungen für drei Hauptprobleme der Lithium-Ionen-Technologie bieten.

Höhere Sicherheit erreichen

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) verwenden in ihren Elektrolyten brennbare organische Lösungsmittel, was ein Brandrisiko darstellt. Im Gegensatz dazu nutzen LFP-Batterien ein Kathodenmaterial aus Lithium-Eisenphosphat (LFP), das eine chemisch stabile Struktur und hohe thermische Stabilität aufweist. Dadurch wird das Risiko einer Entzündung oder Explosion bei starker Hitze oder Einwirkung von Stößen reduziert. Weltweit kam es vereinzelt zu Bränden in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen (ESS), die mit LIBs ausgestattet waren. Dies hat den Fokus der Branche auf die Sicherheit verstärkt. Daher werden LFP-Batterien aufgrund ihres geringen Risikos eines thermischen Durchgehens und ihrer Eignung für großtechnische Batteriesysteme zunehmend eingesetzt.

Erhöhung der Energiedichte

Die pro Gewichtseinheit einer Batterie gespeicherte elektrische Energiemenge (gravimetrische Energiedichte) steht in direktem Zusammenhang mit der Reichweite von E-Bikes und der Energieeffizienz von Energiespeichersystemen. Daher ist die Steigerung der Energiedichte eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Batterien der nächsten Generation. Ursprünglich war die Energiedichte von LFP-Batterien geringer als die von Lithium-Ionen-Batterien. Technologische Innovationen haben ihre Energiedichte jedoch stetig verbessert, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.

Verringerung der Umweltbelastung durch Reduzierung der Abhängigkeit von seltenen Metallen

LFP-Batterien können ohne den Einsatz seltener Metalle wie Nickel und Kobalt hergestellt werden, die nur aus wenigen Ländern stammen. Dadurch werden herstellerspezifische Risiken wie politische Instabilität und Ressourcenknappheit vermieden und gleichzeitig die Umweltbelastung durch den Abbau seltener Metalle reduziert. Dies trägt zur Entwicklung nachhaltigerer Batterietechnologien bei. Darüber hinaus weisen LFP-Batterien eine mehr als doppelt so lange Lebensdauer wie Lithium-Ionen-Batterien auf, wodurch die Kosten für Entsorgung und Recycling sinken.

Nachfolgend ein Vergleich zwischen LFP-Batterien und LIBs (Nickel-Mangan-Kobalt- und Nickel-Mangan-Aluminium-Typen).

Potenzielles Wachstum des LFP-Batteriemarktes

Der globale Markt für LFP-Batterien wird bis 2030 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von rund 20 % wachsen. (Quelle: LFP Batteries Transforming EV Market Dynamics Globally | EVBoosters) Die steigende Nachfrage aus den Bereichen erneuerbare Energiespeicherung, intelligente Stromnetze und Mobilitätsanwendungen unterstützt dieses Wachstum.

Im Vergleich zu herkömmlichen Batterietechnologien benötigen LFP-Batterien weniger seltene Metalle, was zu geringeren Herstellungskosten führt – insbesondere im Vergleich zu NMC-Batterien. Schätzungen zufolge liegt ihr Marktpreis bis zu 30 % unter dem von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Jahrelange staatliche Förderprogramme in China zur Einführung von Energiespeichersystemen im Inland beschleunigten die Verbreitung von LFP-Batterien auf dem heimischen Markt, die sich anschließend auch auf den Weltmarkt ausbreiteten.

Darüber hinaus haben globale Unternehmen – darunter auch führende Hersteller im nordamerikanischen Mobilitätssektor – mit der flächendeckenden Einführung von LFP-Batterien begonnen. Die begrenzten Batteriematerialien und die zunehmende technische Reife von LFP-Batterien, kombiniert mit ihrer Sicherheit, Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit, dürften das Wachstum des LFP-Batteriemarktes künftig weiter vorantreiben.

Wichtige LFP-Batterieanwendungen

Ab 2025 umfassen die wichtigsten Anwendungsgebiete von LFP-Batterien die folgenden.

Elektrofahrräder (E-Bikes)

E-Bikes erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, insbesondere in China, Europa und den USA. Neu entwickelte Modelle setzen vermehrt auf LFP-Akkus. Deren geringes Risiko einer thermischen Überhitzung ist besonders in heißen Klimazonen, wie sie in den Ballungsräumen Südostasiens vorherrschen, sowie bei häufigen Stößen von Vorteil. Zudem sind LFP-Akkus sehr robust gegenüber täglichen Lade-Entlade-Zyklen, was den Akkuwechsel seltener erfordert und langfristig Kosten spart.

Ein weiterer großer Vorteil von LFP-Akkus ist ihr deutlich geringeres Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Bleiakkus. Dadurch erreichen E-Bikes mit LFP-Akkus größere Reichweiten und bieten ein einfacheres Handling, was die Kundenzufriedenheit erhöht. Da LFP-Akkus unter verschiedenen Wetterbedingungen eine stabile Leistung erbringen, gelten sie als äußerst zuverlässig für Pendler und andere individuelle Mobilitätsbedürfnisse sowie für geschäftliche Anwendungen wie Lieferdienste, was ihre Verbreitung in Unternehmen fördert. Diese Vorteile dürften die Nachfrage nach E-Bikes mit LFP-Akkus weiter steigern, insbesondere als Verkehrsmittel im urbanen Raum.

Speichersysteme für erneuerbare Energien (ESS)

LFP-Batterien ermöglichen eine stabile Energiespeicherung in Systemen zur Nutzung erneuerbarer Energien, die mit Solar-, Wind- und anderen natürlichen Quellen betrieben werden. Sie bieten Vorteile wie stabile Leistung unter rauen Umgebungsbedingungen und geringen Wartungsaufwand.
Laut Fastmarkets, einem Marktforschungsunternehmen, wird sich die Gesamtnachfrage nach Energiespeichersystemen (ESS) voraussichtlich von 66 GWh im Jahr 2022 auf 140 GWh im Jahr 2023 mehr als verdoppeln und im Jahr 2033 etwa 840 GWh erreichen. LFP-Batterien werden voraussichtlich etwa 87 % dieser Gesamtkapazität ausmachen und als Kerntechnologie beim weiteren Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien dienen.
Referenz: Zunehmende LFP-Nutzung führt zu einem Bedarf an mehr Transparenz in der Lieferkette der Chemieindustrie – Fastmarkets

Notstromsysteme (USV)

In kritischen Infrastrukturen wie Krankenhäusern, Rechenzentren und Kommunikationseinrichtungen finden LFP-Batterien breite Anwendung, da sie als äußerst zuverlässige Notstromquellen dienen können. Sie müssen seltener ausgetauscht und gewartet werden, was langfristig zu Kosteneinsparungen führt.

Maritime und nautische Geräte

LFP-Batterien werden zunehmend als Energiequelle für Geräte auf See eingesetzt. Beispiele hierfür sind elektrische Systeme für Sportboote, Elektromotoren, Fischfinder, GPS-Empfänger, Navigationsinstrumente (wie Sonargeräte), automatische Wetterbojen und Sensoren zur Meeresbeobachtung. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) vom Typ NMC bieten LFP-Batterien eine sicherere und zuverlässigere Energiequelle mit geringerem Entzündungsrisiko und gewährleisten gleichzeitig eine stabile Leistung auch unter rauen Bedingungen wie Vibrationen und Stößen.

Laptops und Elektrowerkzeuge für den Haushalt

Eine der bemerkenswertesten Entwicklungen der letzten Zeit ist, dass führende PC-Hersteller die Einführung von LFP-Akkus für Laptops der nächsten Generation beschleunigen. Dieser Trend wird durch die wachsende Anerkennung der Sicherheit und langen Lebensdauer von LFP-Akkus im Markt für mobile Geräte vorangetrieben. Zukünftig wird erwartet, dass LFP-Akkus aufgrund ihrer höheren Sicherheit, geringeren Umweltbelastung und Kosteneffizienz auch in anderen kleinen Elektrogeräten wie Elektrowerkzeugen und Unterhaltungselektronik breitere Anwendung finden werden. Ihr geringeres Entzündungsrisiko und ihre längere Akkulaufzeit bieten Nutzern mobiler Geräte im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus erhebliche Vorteile.

Sekundärschutz für LFP-Batterien

LFP-Batterien zeichnen sich durch ihre überlegene thermische Stabilität und höhere Sicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Produkten aus.
Studien haben jedoch gezeigt, dass kontinuierliches Überladen zu einem allmählichen Anstieg der Batterietemperatur führen kann. Sobald die Temperatur den stabilen Bereich überschreitet, kann dies zu einem thermischen Durchgehen und im Extremfall sogar zur Entzündung führen. Um solche Gefahren zu vermeiden, sind geeignete sekundäre Schutzmechanismen unerlässlich.

Der Self Control Protector (Oberflächenmontierte Sicherung) von Dexerials ist eine oberflächenmontierte Sicherung, die den Stromkreis durch mechanisches Schmelzen unterbricht, wenn ein Lithium-Ionen-Akku überladen oder tiefentladen wird. Unsere SCPs werden bereits in Mobilgeräten, einschließlich Laptops, eingesetzt. Das neue Modell SFJ-1022 (für dreizellige LFP-Akkus) verwendet eine neu entwickelte Schaltung, die einen breiteren Spannungsbereich von LFP-Akkus abdeckt und sich somit ideal als zusätzliche Schutzlösung für die zunehmende Verbreitung von LFP-Akkus eignet.
22A (klein) SFJ-Serie Selbstkontrollschutz (Oberflächenmontierte Sicherung)

Unsere SCPs werden zunehmend für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Energiespeichersysteme, andere Systeme mit hoher Kapazität und E-Bikes. Die Weiterentwicklung ist ebenfalls im Gange.

Mit Blick auf die Zukunft wird Dexerials weiterhin Produkte entwickeln, die die sichere Konstruktion und Nutzung von LFP-Batterien unterstützen und damit zu einer wohlhabenderen und sichereren Gesellschaft beitragen.