Oft stellt sich die Frage nach der besten Chemie für die Elektrifizierung von Fahrzeugen. Es gibt verschiedene Arten von Zellen oder Batterien, deren Vor- und Nachteile abgewogen werden sollten, um eine fundierte Entscheidung treffen zu können.

Erstens gibt es Blei-Säure-Batterien. Sie sind billig, aber nicht sehr langlebig und bieten keine sehr hohe Leistung. Außerdem sind sie ziemlich schwer. Eine andere Möglichkeit sind Nickel-Metallhydrid-Batterien, die leistungsfähiger sind als Bleibatterien und nicht so schwer sind. Allerdings sind sie auch etwas teurer.

Schließlich gibt es unter den Batterietypen noch die Lithium-Ionen-Batterien, die heute am fortschrittlichsten und beliebtesten sind. Sie sind leicht, langlebig und bieten eine große Menge an Energie. Sie sind zwar sehr kostenintensiv, bieten aber eine hervorragende Investitionsrendite und sind zudem umweltfreundlicher.

Heute sind Lithiumbatterien in einer Vielzahl von Anwendungen sehr beliebt. Ursprünglich wurden sie hauptsächlich in Mobiltelefonen, Computern und kleinen Werkzeugen eingesetzt. Heute übernehmen jedoch immer mehr Hersteller von Industriemaschinen und Elektrofahrzeugen diese Technologie für den elektrischen Übergang ihrer Flotten. Lithiumbatterien werden in einer Vielzahl von Sektoren wie Logistik, Materialtransport, Bauwesen, Hebebühnen, Landwirtschaft, Flughafenfahrzeuge und Schifffahrt eingesetzt.

Die Wahl der richtigen Lithiumbatterie für ein Fahrzeug ist heute komplexer denn je, aber aufgrund der jüngsten Verordnungen des Europäischen Parlaments, die ein Verkaufsverbot für Benzin- und Dieselfahrzeuge ab 2035 vorsehen, ist sie noch wichtiger geworden.

Aber nicht alle Lithiumbatterien sind gleich. Es gibt viele Faktoren, die bei der Suche nach der richtigen Batterie für eine bestimmte Anwendung zu berücksichtigen sind. Es gibt verschiedene Arten von Lithiumbatterien auf dem Markt. Darüber hinaus gibt es neben der Spannung auch die Abmessungen einer Lithiumbatterie und einen komplexen Prozess, der Forschung und Entwicklung, technische Tests und vor allem die Wahl der richtigen Chemie für die Anforderungen des Fahrzeugs umfasst.

Die sechs am häufigsten verwendeten Lithiumchemikalien und ihre Eigenschaften

Die sechs am häufigsten verwendeten Lithium-Chemikalien sind:

• Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2)
• Lithium-Mangan-Oxid (LiMn2O4)
• Lithium-Ferro-Phosphat (LiFePO4)
• Nickel-Mangan-Kobalt (LiNixMnyCozO2)
• Nickel-Kobalt-Aluminium (LiNiCoAlO2)
• Lithiumtitanat (Li4Ti5O12)

Im Folgenden werden wir uns jede dieser Möglichkeiten sowie ihre Vor- und Nachteile genauer ansehen.

1. die Zusammensetzung und die Eigenschaften von Lithiumbatterien mit LCO-Chemie: Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO 2 )

Lithiumbatterien mit LCO-Chemie (Lithium-Cobalt-Oxid) bestehen aus einer Kobaltoxid-Kathode und einer Graphit-Anode. Die Kathodenchemie ist LiCoO2 und der verwendete Elektrolyt ist eine Lösung von Lithiumsalzen in einem organischen Lösungsmittel. 

Batterien, die mit dieser LCO-Chemie hergestellt werden, haben eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer, wodurch sie sich für den Einsatz in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen und Laptops eignen. Sie neigen jedoch zur Überhitzung und können instabil sein, wenn sie unsachgemäß geladen oder hohen Temperaturen ausgesetzt werden, was zum Auslaufen des Elektrolyts und zur Explosion der Batterie führen kann. 

Außerdem ist Kobalt ein teures und knappes Material, so dass Lithiumbatterien mit LCO-Chemie teurer sind als andere Optionen.

• Nennspannung: 3,6 V.
• Gravimetrische Dichte: 200 Wh/Kg
• Energiedichte: 400 Wh/l
• Vollständige Lebenszyklen: 500 - 1000
• Entladerate: 1C

2. Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit LMO-Chemie: Lithium - Mangan - Ossido (LiMn 2 O 4 )

Lithiumbatterien mit LMO-Chemie (Lithium-Mangan-Oxid) haben eine Manganoxid-Kathode und eine Graphit-Anode. Die Kathodenchemie ist LiMn2O4 und der verwendete Elektrolyt ist eine Lösung von Lithiumsalzen in einem organischen Lösungsmittel. Das Hauptmerkmal von LMO-Batterien ist die Fähigkeit, in kurzer Zeit viel Energie zu liefern.

Diese Batterien haben eine hohe Entladekapazität, eine lange Lebensdauer und sind weniger anfällig für Überhitzung als Lithiumbatterien mit LCO-Chemie. Außerdem ist Mangan ein kostengünstigeres und häufiger vorkommendes Material als Kobalt, was Lithiumbatterien mit LMO-Chemie wirtschaftlicher und umweltfreundlicher macht. 

Diese Batterien haben jedoch eine geringere Energiedichte als Lithiumbatterien mit LCO-Chemie und können bei Auf- und Entladung mit hohen Strömen oder Temperaturen eine langfristige Schädigung der Kathode erfahren.

Sie werden häufig für Elektrofahrräder, in der Gartenarbeit, in medizinischen Geräten und Elektrowerkzeugen wie Bohrmaschinen und Schraubenziehern verwendet.

LMO-Batterien sind im Vergleich zu chemischen LCO-Batterien thermisch stabiler, haben aber eine begrenzte Kapazität, die geringer ist als bei Systemen auf Kobaltbasis.

• Nennspannung: 3,7 V.
• Spezifische Energie: 150 Wh/Kg
• Energiedichte: 350 Wh/l
• Vollständige Lebenszyklen: 300 - 700
• Entladerate: 1C, 10C

3. Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit LFP-Chemie: Lithium - Ferro - Phosphat (LiFePO4)

Lithiumbatterien mit LFP-Chemie (Lithium-Ferro-Phosphat) haben eine Kathode aus Lithiumeisenphosphat, eine Graphitanode und einen Elektrolyten auf der Basis von Lithiumsalzen. 

Diese Batterien sind für ihre hohe Sicherheit bekannt, da sie keine brennbaren Materialien wie das in Lithiumbatterien mit LCO-Chemie verwendete Kobalt enthalten. Außerdem sind Lithiumbatterien mit LFP-Chemie widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen und Überladung als andere Lithiumbatterie-Chemien.

Diese Chemie wird üblicherweise in Anwendungen eingesetzt, die hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit erfordern. Wir sprechen daher von einem sehr breiten Anwendungsbereich, der von der Automatisierung über die Robotik, Logistik, das Bauwesen, die Landwirtschaft, die Schifffahrt, Elektrofahrzeuge, Flughafenfahrzeuge, Flugplattformen und Spezialfahrzeuge reicht.

Batterien mit LFP-Chemie sind in der Tat die Sicherer und stabiler die derzeit auf dem Markt erhältlich sind. Darüber hinaus sind sie erhältlich bei GroßraumformateDas System ist so konzipiert, dass es den Anforderungen industrieller Systeme entspricht, ohne dass viele kleine Zellen parallel geschaltet werden müssen, was die Stabilität verringern und die Sicherheit beeinträchtigen würde.

Batterien mit LFP-Chemie haben eine längere Lebensdauer und können mehr als 3.500 Zyklen überstehen. Darüber hinaus könnten sie 4.000 Zyklen überschreiten, wenn ein geeignetes BMS-System zu ihrer Überwachung integriert wird. Es wird geschätzt, dass sie in Zukunft sogar 6.000 Zyklen erreichen könnten.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Lebenszyklen nicht das vollständige Ende der Batterie anzeigen, da die Nutzungsdauer einer Fahrzeugbatterie als erschöpft gilt, wenn nur noch 80% ihrer ursprünglichen Kapazität vorhanden sind. Trotzdem kann die Batterie noch für andere Anwendungen, wie z. B. die Energiespeicherung, nützlich sein.

Ein weiterer wichtiger Vorteil von LFP-Batterien ist ihre flache Entladekurve, d. h. die Batteriespannung bleibt während der Entladung konstant. Daher ist die Spannung von 100% und 0% sehr ähnlich, und das ist eine grundlegende Tatsache.

Dank dieser Eigenschaft können Maschinen und Industriefahrzeuge von Beginn bis zum Ende der Entladung eine konstante und gleichmäßige Leistung erbringen. Zusätzlich zu ihrer Langlebigkeit und Stabilität sind LFP-Batterien als sehr sicher bekannt, was sie für den Einsatz in Fahrzeugen und anderen industriellen Anwendungen geeignet macht.

• Nennspannung: 3,2 V.
• Gravimetrische Dichte: 170 Wh/Kg
• Energiedichte: 350 Wh/l
• Vollständige Lebenszyklen: > 4000
• Entladerate: 1C/3C

Die flache Kurve der LFP-Chemie, die eine konstante Leistung während der Batterieentladung ermöglicht, kann die genaue Bestimmung des Ladezustands erschweren. Mit einem guten BMS-System kann dies jedoch überwunden werden, um einen korrekten Ladezustand zu ermitteln und die Batterie effektiv auszugleichen. 

Ein großer Vorteil der LFP-Chemie ist außerdem der völlige Verzicht auf Kobalt, ein giftiges und umweltschädliches Material. Während die Energiedichte der LFP-Chemie früher niedrig war, ist sie jetzt deutlich gestiegen, was zu einem großen Interesse an der Elektrifizierung von Fahrzeugen geführt hat. In den kommenden Jahren wird bereits mit einer weiteren Steigerung der gravimetrischen Dichte auf 220/230 Wh/Kg gerechnet.

Tesla und andere Automobilhersteller führen die LFP-Chemie wieder ein, weil sie im Vergleich zu anderen in Hochleistungsfahrzeugen verwendeten Chemikalien sicherer und kostengünstiger ist. 

Es wird erwartet, dass die Energiedichte in naher Zukunft weiter zunehmen wird, was die LFP-Chemie zu einer zunehmend attraktiven Option für die Energiespeicherung und die Elektrifizierung von Fahrzeugen macht.

4. Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit NMC-Chemie: Nickel - Mangan - Kobalt (LiNixMnyCozO2)

Lithiumbatterien mit NMC-Chemie (Nickel-Mangan-Kobalt) bestehen aus drei Hauptelementen: Nickel, Mangan und Kobalt, die je nach Zellentyp in unterschiedlichen Anteilen verwendet werden. 

Im Automobilsektor sind Lithiumbatterien mit NMC-Chemie immer noch am weitesten verbreitet und werden am häufigsten eingesetzt. Diese Batterien bieten eine sehr hohe spezifische Energie, die 220-240 Wh/kg erreichen kann. Dies ist ein großer Wettbewerbsvorteil für Fahrzeuge, da sie bei geringerem Gewicht und Volumen viel Energie speichern können, was bedeutet, dass im Vergleich zu anderen Lithiumbatterietechnologien mehr Energie im Fahrzeug installiert werden kann. 

Es gibt mehrere Arten von NMC-Chemie:

Die Zahl hinter der Abkürzung NMC gibt den Anteil dieser Elemente an, der für die Kathode verwendet wird. Zum Beispiel haben NMC 811-Zellen eine hohe Konzentration an Nickel und einen geringen Gehalt an Mangan und Kobalt, während NMC 111-Zellen einen gleichen Anteil an jedem Element haben.

• NMC 111 (Nickel 33,3% - Mangan 33,3% - Kobalt 33,3%)
• NMC 622 (Nickel 60% - Mangan 20% - Kobalt 20%)
• NMC 811 (Nickel 80% - Mangan 10% - Kobalt 10%)

• Nennspannung: 3,6 V.
• Gravimetrische Dichte: 220 Wh/Kg
• Energiedichte: 500 Wh/l
• Vollständige Lebenszyklen: 2.000
• Entladerate: 2C/3C

Die Abkürzung NMC wird von drei Zahlen begleitet, die die Menge der für die Kathode verwendeten Elemente angeben. Die neueste Version, NMC 811, hat einen hohen Nickel- und einen niedrigen Mangan- und Kobaltanteil, was zu einer höheren Energiedichte bei geringeren Kosten führt. Obwohl das Ziel darin besteht, den Kobaltanteil in der NMC-Technologie zu minimieren, ist dieses Element für die Systemstabilität und die Haltbarkeit der Batterie nach wie vor unerlässlich. 

Es gibt jedoch Unternehmen, die an innovativen neuen Technologien forschen, wie z. B. Svolt, das bereits die erste vollständig kobaltfreie NMX-Zelle entwickelt hat.

5. Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit AQL: Nickel - Kobalt - Aluminium (LiNiCoAIO2)

Lithiumbatterien mit NCA-Chemie verwenden als Kathode eine Mischung aus Nickel, Kobalt und Aluminium, die durch die chemische Formel LiNiCoAIO2 dargestellt wird. Diese Mischung sorgt für eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer der Batterie. Nickel sorgt für strukturelle Stabilität, während Kobalt und Aluminium die Energiedichte erhöhen.

Neben den NMCs werden auch Batterien mit NCA-Chemie in der Automobilbranche. 

Lithiumbatterien mit NCA-Chemie haben eine hohe Energiedichte, die 250-300 Wh/kg erreichen kann, obwohl sie ein etwas niedrigeres Sicherheitsniveau haben als NMC-Batterien. 

Sie bestehen hauptsächlich aus Nickel mit einem geringen Anteil an Kobalt und Aluminium und ähneln damit in ihrer Struktur den NMC 811-Zellen. Um ein Gleichgewicht zwischen Energiedichte, Sicherheit und Stabilität zu erreichen, werden NCA-Batterien häufig mit NMC-Chemikalien gemischt.

Durch Mischen der beiden Chemikalien lässt sich eine Batterie mit einer relativ hohen Energiedichte und einem angemessenen Maß an Sicherheit und Stabilität herstellen.

• Nennspannung 3,6 V
• Gravimetrische Dichte: 250 Wh/Kg
• Energiedichte: 550 Wh/l
• Vollständige Lebenszyklen: 1.000
• Entladerate: 2C/3C

6. Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit LTO-Chemie: Lithiumtitanat (Li4Ti5O12)

Diese Batterietechnologie ist noch nicht sehr bekannt, scheint aber ein großes Potenzial in Bezug auf die Lebensdauer zu haben, da sie aufgrund der niedrigen internen Spannungen und der fehlenden mechanischen Belastung nur wenig abbaut. Dies macht sie ideal für den Einsatz in schweren Maschinen und Fahrzeugen. 

Es hat jedoch zwei große Schwachpunkte: 

• Niedrige Energiedichte (177Wh/l) und gravimetrische Werte (60-70 Wh/kg) sowie eine niedrigere Nennspannung von 2,4V oder 2,8V: Dies bedeutet, dass mehr Elemente in Reihe geschaltet werden müssen, um die gewünschte Batteriespannung zu erreichen.
• Ihre Kosten sind derzeit sehr hoch, was sich in der geringen Anzahl von LTO-Zellenherstellern weltweit widerspiegelt, was wahrscheinlich auf die geringen Mengen zurückzuführen ist, die der Markt derzeit benötigt.

Dennoch ist sie eine Art der Fahrzeugelektrifizierungschemie mit einigen Vorteilen. Die LTO-Technologie hat nicht nur eine lange Lebensdauer, sondern auch eine hohe Kapazität für den Betrieb in einem breiten Temperaturbereich. Außerdem kann sie mit einer hohen Stromrate im Vergleich zu ihrer Nennkapazität schnell geladen und entladen werden (hohe C-Rate). 

Diese Technologie eignet sich besonders für Anwendungen, die eine intensive und kontinuierliche Nutzung erfordern, wie z. B. fahrerlose Transportsysteme (FTS). Eine Flotte von autonomen Gabelstaplern, die rund um die Uhr im Einsatz sind, würde beispielsweise vom Einsatz von LTO-Batterien profitieren, die schnell aufgeladen werden können, um Ausfallzeiten zu reduzieren und die Effizienz der Anlage zu erhöhen.

• Nennspannung 2,4 V
• Gravimetrische Dichte: 70 Wh/Kg
• Energiedichte: 177 Wh/l
• Vollständige Lebenszyklen: 15.000 - 20.000
• Entladerate: 4C/8C

Von der Theorie zur Praxis: die richtige Lithiumchemie für die richtige Anwendung

Jede der sechs Haupttypen von Lithiumchemikalien, die derzeit bei der Elektrifizierung eingesetzt werden, ist nützlich und leistungsstark, aber wir sollten sie nicht als Konkurrenten betrachten. Im Gegenteil, jede Lithiumchemie hat ihre Vorteile und eignet sich am besten für verschiedene Anwendungsbereiche.

Dieses Diagramm ist sehr anschaulich, um die Unterschiede zwischen den einzelnen Batterietypen zu verdeutlichen. 

• Die spezifische Energie oder gravimetrische Dichte gibt an, wie viel Energie die Batterie im Verhältnis zu ihrem Gewicht speichern kann.
• Die Sicherheit bezieht sich darauf, wie sicher die Batterie im Hinblick auf die thermische Stabilität ihrer Komponenten ist.
• Die C-Rate gibt die Fähigkeit der Batterie an, Energie zu laden und zu entladen, was mit ihrer Fähigkeit, Energie zu erzeugen, zusammenhängt.
• Die Lebensdauer bezieht sich auf die Anzahl der Entladungen und Wiederaufladungen der Batterie, bevor ihre Kapazität auf 80% der Restkapazität reduziert wird.
• Die Kosten beziehen sich auf den Preis der Batterie und sind ein wichtiger Faktor, der bei der Auswahl der richtigen Batterie für eine bestimmte Anwendung zu berücksichtigen ist.

Wie wählt man den richtigen Typ von Lithiumchemie?

An dieser Stelle wollen wir versuchen, im Detail zu erklären, warum man sich je nach Fall und Anwendung für das eine oder andere Produkt entscheiden sollte.

NMC- und NCA-Batterien für den Automobilsektor

NMC- und NCA-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte, die es ihnen ermöglicht, eine große Energiemenge auf kleinem Raum bereitzustellen, häufig im Automobilsektor eingesetzt. 

In der Elektromobilität sind die Energiedichte, die gravimetrische Dichte und die spezifische Leistung von zentraler Bedeutung, und die Ladegeschwindigkeit und die hohen Beschleunigungswerte stehen vor allem bei Premiummodellen im Mittelpunkt. 

In diesem Bereich sind andere Merkmale wie lange Lebenszyklen nicht wichtig, da sie nicht erforderlich sind. Bei einem Auto ist es unwahrscheinlich, dass es an einem einzigen Tag viele Zyklen durchläuft, und im Allgemeinen werden nur 20-30% der Ladung an einem Tag verwendet. 

Daher beträgt die Lebensdauer von Batterien mit NMC-Chemie nicht mehr als 2000 und mit NCA-Chemie bis zu 1000 Zyklen.

LFP- und LTO-Batterien für den Industriesektor

In verschiedenen Sektoren, wie der Landwirtschaft, der Industrie und der Elektrifizierung von Spezialfahrzeugen, ist es sinnvoller, Batterien mit Chemien wie LFP und LTO anstelle von NMC und NCA zu verwenden. Dies liegt daran, dass in diesen Sektoren Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer wichtiger sind als Energiedichte und Leistung.

In der Industrie beispielsweise ist der Platz kein Thema und die Sicherheit hat Priorität, insbesondere bei stark zyklischen Anwendungen, die die Batterie belasten. 

In diesen Fällen ist eine Batterie vorzuziehen, die etwas mehr Platz benötigt, aber optimale Sicherheit und eine längere Lebensdauer gewährleistet. Außerdem ist bei stationären Anwendungen die Energiedichte nicht so wichtig wie die Kosten und die Lebensdauer der Batterie. 

LCO- und LMO-Batterien für kleine mobile Anwendungen

Wenn Sie eine Batterie für mobile Werkzeuge und Anwendungen benötigen, die sehr klein ist, dann ist das Wichtigste, dass sie leicht ist, damit die Gesamtleistung der Anwendung nicht durch übermäßiges Gewicht beeinträchtigt wird. In diesem Fall sind Batteriechemien wie LCO und LMO ideal, da sie eine hohe Leistungsdichte in einem kleinen, leichten Paket bieten. 

Diese Chemikalien haben zwar eine kürzere Haltbarkeit und können aufgrund ihrer geringen Größe ein höheres Sicherheitsrisiko darstellen, doch wird dies in Kauf genommen, um die Wettbewerbsfähigkeit des Produkts auf dem Markt zu gewährleisten.

BMS optimiert die Eigenschaften der gewählten Chemie

All diese Informationen zeigen, dass die Diagramme nützlich sein können, um die allgemeinen Merkmale jeder Batteriechemie zu verstehen, aber es muss daran erinnert werden, dass die Daten indikativ sind und dass sich Technologie und Innovation ständig weiterentwickeln. 

Daher ist es wichtig, sich auf dem Laufenden zu halten und sich auf erfahrene Hersteller zu verlassen, um Batterien zu entwickeln, die den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung entsprechen.

Außerdem ist die Chemie nicht der einzige Faktor, der die Leistung der Batterie beeinflusst. Auch das Batteriemanagementsystem (BMS) ist wichtig, da es in der Lage ist, die Eigenschaften der gewählten Chemie optimal zu nutzen und eine gleichbleibende Leistung über die Zeit zu gewährleisten. 

Ein BMS (Batteriemanagementsystem) ist eine Kombination aus elektronischen Geräten und Software, die den Betrieb einer wiederaufladbaren Batterie steuert und überwacht. Das BMS steuert und überwacht verschiedene Batterieparameter wie Temperatur, Spannung und Strom und schützt die Batterie vor Überladung, Überentladung, Überhitzung, Kurzschlüssen und anderen Ereignissen, die die Batterie beschädigen oder ihre Lebensdauer verkürzen könnten. 

Solche Systeme können auch einen Lastausgleich der Batteriezellen vornehmen, um sicherzustellen, dass alle Zellen optimal zusammenarbeiten. 

Schließlich kann ein intelligentes BMS die Batteriedaten analysieren und das Verhalten der Batterie so anpassen, dass die Leistung und Effizienz entsprechend den spezifischen Anforderungen der Anwendung maximiert wird.