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Sichere und langlebige Zellchemie: Welche Zukunftsmärkte unterstützt LFP?
LFP gilt als weit gereifte Zellchemie. Wie jede andere chemische Struktur bestimmt das Lithium-Eisenphosphat die grundlegenden Eigenschaften des Akkupacks, in dem es verbaut wird. Zu den hervorstechenden Merkmalen des LFP zählen hohe Sicherheit, lange Lebensdauer und außergewöhnliche Zuverlässigkeit. Allein die Energiedichte ist geringer als bei den herkömmlichen Lithium-Ionen-Verbindungen. Das führt bei gleicher Leistung zu einem höheren Gewicht und der Akkupacks und erfordert einen größeren Bauraum. Doch auch diesbezüglich zeichnen sich Lösungen ab.
Petro Luft ist CCO von Reliance Lithium Werks, einem international tätigen Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und Produktion von LFP-Zellen spezialisiert hat. Lithium Werks ist zugleich langjähriger Partner der Omntrion Griese GmbH für Zellen, die auf Lithium-Eisenphosphat basieren. „Wir arbeiten insbesondere in den Bereichen Medizin und Windenergie gern mit Lithium Werks zusammen“ sagt Omnitron-CEO Adrian Griese. „Für diese Applikationen ist eine lange Lebensdauer enorm wichtig und Lithium Werks hat uns die Zyklenfestigkeit seiner Zellen hier für zehn Jahre bestätigt.“ Petro Luft geht mit seiner Einschätzung der Zellen noch weit darüber hinaus. Er sagt: „Lithium Werks ist für ‚high performance’ bekannt. Wir bauen die Ferraris unter den Zellen.“ Doch welche Zellen und Zellchemien für welche Applikationen geeignet sind, entscheiden letztlich die Zielparameter der Akkupack-Anwendungen sowie die Kosteneffizienz. LFP-Spezialist Petro Luft ordnet ein, welche Produkte und Märkte LFP zukunftssicher aufstellen kann:
LFP in der mobilen Stromversorgung
In der mobilen Stromversorgung ist LFP immer dann die erste Wahl, wenn Sicherheit und Langlebigkeit wichtiger sind als das Gewicht des tragbaren oder fahrenden Produkts. In der Schifffahrt beispielsweise ist es unerlässlich, die Sicherheit auf hoher See zu gewährleisten. Herkömmliche Lithium-Ionen-Technologien können in Brand geraten – ein Brand, der nicht gelöscht, sondern maximal gekühlt werden kann, bis er von allein erlischt. Auch die Automobilindustrie steht vor dieser Herausforderung, die sie zunehmend durch die Zellchemie LFP löst. „LFP brennt nicht von selbst“, sagt Petro Luft. „Auch nicht, wenn die Batterie beschädigt wird oder heiß läuft. NMC dagegen brennt, sogar unter Wasser, sobald es mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Natürlich gibt es hier auch Lösungen, die den Sicherheitsanforderungen genügen – beispielsweise durch den Aufbau des Batteriepacks an sich, ein nicht-brennbares Kunststoffgehäuse oder über das Batteriemanagementsystem.“
Grundsätzlich ist die Zyklenfestigkeit des Lithium-Eisenphosphats für mobile Applikationen wichtig – genauso wie die hohen Ladeströme. „Wenn ich einen Gabelstapler acht Stunden am Tag nutze und dann 16 Stunden auflade, brauche ich kein LFP“, sagt Petro Luft. „Wenn ich ihn aber in drei Schichten rund um die Uhr nutzen möchte, brauche ich ein Akku-Pack, dass sich innerhalb von dreißig Minuten auf einhundert Prozent aufladen lässt.“ Für die lange Lebensdauer des Akkupacks ist die Zyklenfestigkeit seiner Zellen auschlaggebend. Im Vergleich zu NMC beispielsweise kann eine LFP-Zelle zwei- bis dreimal so oft ge- und entladen werden. Unter bestimmten Voraussetzungen sind auch bis zu 15.000 Lebenszyklen pro Zelle möglich, wodurch sie einige Jahre länger einsatzfähig bleibt. Aufgrund dieser Eigenschaften sind bereits einige Hersteller mobiler Applikationen im Bereich Robotik und Transportlogistik oder professioneller Garden und Power Tools auf LFP-Zellen umgestiegen. „Schließlich möchte kein Handwerker zwei Stunden darauf warten, dass seine Bohrmaschine oder sein Schleifgerät wieder aufgeladen ist.“ LFP erweist sich grundsätzlich als ideal für Geräte, die regelmäßig geladen werden, viele Jahre zuverlässig funktionieren sollen und bei höheren Umgebungstemperaturen betrieben werden. Für kleine Akkupacks im professionellen, industriellen oder stationären Einsatz ist LFP daher oft technisch und somit auch wirtschaftlich die beste Wahl.
LFP in der Medizintechnik
Im medizinischen Bereich ist LFP als sichere Zellchemie bereits etabliert. Ob medizinische Power Tools wie Knochensägen oder Mess- und Laborgeräte sowie Defibrilatoren oder auch medizinische Lampen, mobile Patientenmonitore und tragbare Ultraschallgeräte – sie alle erfordern größtmögliche Sicherheit zum Schutz der Patienten und dem medizinischen Personal. Zudem benötigen viele medizinische Geräte kurzfristig hohe Leistungen, beispielsweise beim Einschalten oder beim Betrieb von Pumpen oder Kompressoren.
Ein zweites medizinisches Einsatzgebiet beruht ebenfalls auf den zwar kurzzeitigen jedoch sehr hohen Ladeströmen von Akku-Packs mit LFP-Zellen. Im Falle eines Stromausfalls muss jedes Krankenhaus eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ermöglichen – sei es, um das Licht und die Funktion der elektrischen Instrumente während einer Operation zu gewährleisten oder die Maschinen für lebenserhaltende Maßnahmen in Betrieb zu halten. „Allerdings dauert es zwei bis drei Minuten, bis bei Stromausfall ein Dieselgenerator anspringt“, sagt Petro Luft. „Um diese Zeit zu überbrücken, brauchen wir ein USV-System mit einer Batterie, die kurzfristig einer sehr hohen Belastung standhält.“ Derartige USV-Systeme basieren auf hochentwickelten LFP-Zellen, die auch für jedes andere Gebäude oder gar Rechenzentren eingesetzt werden können.
LFP in weiteren Wachstumsmärkten
„Im Grunde können wir LFP überall sinnvoll einsetzen. Dort, wo es Batterien gibt, ist ein Markt für LFP“, sagt Petro Luft. „Die Frage ist, wann es sich lohnt von den alten chemischen Strukturen auf LFP umzusteigen. Zellen in einem bestehenden Pack zu ersetzen bedeutet, sowohl das Design anzupassen als auch die Zertifizierungen zu erneuern. Doch wenn wir auf die Zukunft schauen, wird sich LFP bis 2030 zur vorrangigen Lithiumbasierten Zellchemie entwickeln und den ‚return of invest‘ dabei immer schneller erreichen.“
Schon heute basiert neben der Medizintechnik beispielsweise die Energiegewinnung aus Wind auf der Zellchemie LFP. Dies beruht auf der hohen Anzahl der möglichen Ladezyklen, die hier priorisiert erforderlich sind. Ein weiteres zukunftsträchtiges Feld für Lithium-Eisenphosphat liegt in diversen Starterbatterien – für Flugzeuge, Helikopter oder Kraftfahrzeuge. Darüber hinaus erfordert die Elektromobilität eine zweite Sicherheitsbatterie, die kurzzeitig höhere Spitzenströme liefern kann, um automatische Türen oder Fenster zu öffnen und weitere Sicherheitsmaßnahmen in Gang zu setzen. „Wenn der Strom aufgrund einer kaputten oder gar brennenden Batterie für den elektrischen Antrieb ausfällt, komme ich ohne Backup-Batterie nicht mehr aus den modernen Autos heraus.“ Nicht zuletzt liegt ein weiterer Zukunftsmarkt in der Elektrifizierung von Off-Grid-Fahrzeugen und den sogenannten Non Road Mobile Machinery (NRMM) wie Baumaschinen wie Bagger und Bulldozer, Kehrmaschinen oder Traktoren.
LFP in der Kreislaufwirtschaft
LFP zählt zu den nachhaltigsten und ethisch vorteilhaften Zellchemien, allein weil kein Nickel oder Kobalt dafür abgebaut und verwendet wird. Auch für die Kreislaufwirtschaft ist LFP theoretisch leicht wiederzuverwerten, muss sich jedoch noch beweisen. „Um 2020 herum wurde LFP erstmals für den Massenmarkt interessant und viele Anwender sind auf diese chemische Struktur umgestiegen“, sagt Petro Luft. „Haupttreiber war hier der Bereich Automotive.“ Das bedeutet zugleich, dass erst ungefähr ab dem Jahr 2028 große Volumina ausgedienter LFP-Zellen für die Kreislaufwirtschaft zur Verfügung stehen werden. „LFP wiederzugewinnen wird ökonomisch kaum attraktiv sein, doch es ist absolut möglich das sogenannte „black slurry‘ zurückzugewinnen und die gesetzlichen Regularien sehen vor, dass dies geschehen wird. Noch sinnvoller wäre es jedoch, die Zellen zunächst aus ihrer Originalapplikation heraus in einem ‚second life‘ einfach weiterzuverwenden. Zellen aus der Batterie eines Reisebusses können zum Beispiel wunderbar noch fünf bis sechs Jahre in einem Heimspeicher weiterleben.“
LFP in der Forschung und Entwicklung
Aktuell stehen die vorteilhaften Eigenschaften des Lithium-Eisenphosphats in Konkurrenz zu den höheren Investitionskosten und der niedrigeren Energiedichte der Zellen. Doch auch hier gibt es bereits Entwicklungsansätze und erste Lösungen. Mit dem Zusatz von Magnesium steigt die Kapazität der LFP-Zellen um bis zu 25 Prozent. „Das sogenannte MLFP ist nur der erste Schritt“, sagt Petro Luft. „Die Forschung experimentiert mit verschiedenen Materialien, die einen Kapazitäts-Boost bringen und LFP bereits fast konkurrenzfähig zu NMC machen können.“
Einen anderen Ansatz hat Lithium Werks selbst verfolgt und eine eigene Technologie entwickelt, das Nano-LFP. „Das Phosphat in Form dieser Kleinstpartikel kann sehr hohe Ströme liefern und dadurch sehr schnell laden. Wir haben es für High-Performance-Autos der Formel Eins zusammen mit unseren US-amerikanischen Partnern der Universität in Boston entwickelt.“ Auch die Kapazität des Nano-LFP lässt sich mit Magnesium-Zusätzen steigern. Titanium bietet diese Möglichkeiten ebenfalls.
Spezifische Optimierungen der Zellchemie LFP sind bereits im Einsatz, bieten jedoch noch kein Preis-Leistungs-Verhältnis für breitere Märkte. Welche Varianten davon sich durchsetzen werden, bleibt abzuwarten. Klar ist, dass die Zellchemien der Zukunft fortlaufend optimiert werden. „Und zu den weiterentwickelten Lithium-Eisenphosphat-Zellen werden sich Zellen mit gänzlich neuen Chemien, wie beispielsweise Natrium-Ionen gesellen“, sagt Petro Luft. „Diese ermöglichen dann wieder neue optimierte Akkupack-Eigenschaften. Und so wird es immer bestimmte chemische Strukturen für bestimmte Anwendungen geben, aus denen es die passende zu wählen gilt.“