Akkutypen: LFP, NMC & Co

Auf dieser Seite geben wir Ihnen einen Überblick über die aktuell gebräuchlisten Akkutypen für Elektroautos, sowie über Vor-und Nachteile der jeweiligen Batterien.

Intro

Als regulärer Endkunde gibt es im Alltag in der Regel keinen großen Unterschied hinsichtlich des Akkutyps in Ihrem Elektroauto. Die meisten Vor- und Nachteile der verschiedenen Akkutypen werden vor allem in Grenzfällen relevant. Viele Hersteller binden die Akkutypen oft an Preisklassen ihrer Fahrzeugvarianten, oder sie verwenden verschiedene Akkutypen je nach Verfügbarkeit und Produktionsstandort. Einige Hersteller bieten möglicherweise nur einen bestimmten Akkutyp an. In den meisten Fällen haben Sie als Kunde keine direkte Wahlmöglichkeit bezüglich des Akkutyps, aber dies hat oft keine erheblichen Auswirkungen auf Ihren Alltag.

Es ist also in der Regel nicht notwendig, sich allzu viele Gedanken über den Akkutyp zu machen, sofern die Akkus in Bezug auf Haltbarkeit und Sicherheit den Standards entsprechen. Es ist vergleichbar mit der Wahl von Reifen verschiedener Hersteller für Ihr Fahrzeug, vorausgesetzt, sie erfüllen die erforderlichen Anforderungen an Sicherheit und Haltbarkeit. Gleiches gilt für die Akkus von Elektroautos.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass sich die Technologie im Bereich der Elektrofahrzeuge ständig weiterentwickelt, und zukünftige Akkugenerationen könnten potenziell erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Reichweite, Ladezeit und Haltbarkeit bieten. In solchen Fällen kann es sinnvoll sein, sich über die neuesten Entwicklungen auf dem Laufenden zu halten, insbesondere wenn Sie ein neues Elektroauto kaufen möchten. Daher haben wir am Ende auch noch ein paar neue Akku-Kanditdaten in der Ansicht.

Lithium-Eisenphosphat (LFP)

Fangen wir mal mit für die meisten eher unbekannten Akkutyp an.  Lithium-Eisenphosphat abgekürzt LFP, das F steht für Ferrum also Eisen. LFP findet man meistens im Bereich der 12 V Batterien, wo es vielerorts bereits die Blei-Akkus ersetzt hat, auch im Heimspeicherbereich werden viele vielleicht schon mal LFP Akkus gesehen haben. In der Anwendung für den Hauptakku findet er nun auch immer mehr Einsatz und dies liegt vor allem an den Bemühungen der Chinesischen Firma BYD. Den Nachteil den LFP vor allem für mobile Anwendungen hat ist seine geringe Energiedichte im Vergleich zu anderen Akkutypen. Ursprünglich hatten LFP Zellen, um die 90Wh/kg was wirklich schwere Akkus benötigen würden. Durch Forschung und Entwicklung liegen wir aktuell schon bei  130-160 Wh/kg. Dies ist aber noch nicht dort wo andere Typen sich befinden. Hier haben wir z.b. bei NMC=230-250 Wh/kg  und bei  NCA=322 Wh/kg). Aber mit diesen Werten ließen sich nun auch mobile Anwendungen realisieren.  Schließlich bieten LFP-Akkus auch Vorteile.

Vorteile:

• Sicherheit: LFP-Akkus gelten als sicherer im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Akkus wie LiCoO2 (Lithium-Kobalt-Oxid) oder NMC (Nickel-Mangan-Cobalt). Sie sind weniger anfällig für Überhitzung, Kurzschlüsse und thermische Instabilität, was das Risiko von Bränden oder Explosionen reduziert.
• Lange Lebensdauer: LFP-Akkus haben in der Regel eine längere Lebensdauer im Vergleich zu anderen Li-Ion-Akkus. Sie können eine höhere Anzahl von Lade- und Entladezyklen durchlaufen, bevor ihre Kapazität signifikant abnimmt. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen eine langanhaltende Leistung erforderlich ist.
• Kobalt-frei: LFP-Akkus kommen ohne Kobalt aus, was Sie für den Hersteller günstiger macht und auch die Rohstoffproblematik bei Kobalt umgeht.
• Ladezustand Unempfindlichkeit: Eine LFP kann längere Zeit bei sehr hohen oder niedriegen Ladezuständen gelagert werden.
  

Video in dem eine LFP Zelle durchstochen wird.

Nachteile:

• Geringere Energiedichte: Wie schon angesprochen haben LiFePO4-Akkus in der Regel eine geringere Energiedichte im Vergleich zu einigen anderen Lithium-Ionen-Akkutypen wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2). Das bedeutet, dass sie pro Kilogramm Gewicht weniger Energie speichern können. Dies kann zu einem höheren Batteriegewicht führen, was die Gesamtmasse des Elektrofahrzeugs erhöht.
• Größeres Volumen: LiFePO4-Zellen haben oft eine größere Bauform im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Zellen. Dies kann die Gestaltung des Fahrzeugs beeinträchtigen und den verfügbaren Platz für andere Komponenten reduzieren.
• Längere Ladezeiten: LiFePO4-Akkus haben im Allgemeinen längere Ladezeiten im Vergleich zu einigen anderen Lithium-Ionen-Typen. Dies bedeutet, dass das Aufladen des Akkus länger dauern kann. Gerade bei tiefen Temperaturen -5-20Grad ist die Ladeleistung schwächer, dies kann aber durch eine Batterieheizung ausgeglichen werden. Nach kurzer Fahrt sind die Akku aber genrell schon auf Temperatur und es gibt kein Problem bei schnelleren Laden.

Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator (NMC)

Wenn wir aktuell vom einem Lithium-Ionen Akku sprechen sind 80% der Zeit die NMC Zellen gemeint, diese sind eine Weiterentwicklung der Lithium-Cobalt(III)-oxid. Wären man bei der Lithium-Cobalt(III)-oxid nur ein Gitter von Cobalt und Sauerstoff hat in dem die Lithium-ionen gelagert sind, wird beim NMC Akku, ein Teil des Cobalt durch Nickel und Mangan ersetzt. Oft finden Sie Bezeichnungen wie : NMC333, NMC622, NMC811. Dies steht einfach nur für das Mischungsverhältnis der 3 Komponenten.

Je nach Verhältnis gibt es auch etwas andere Eigenschaften, was Haltbarkeit, Lade/Entladegeschwindigkeit und Energiegehalt angeht.

Vorteile:

• Hohe Energiedichte: NMC-Akkus haben eine hohe Energiedichte, was bedeutet, dass sie viel Energie in Relation zu ihrem Gewicht und Volumen speichern können. Dies ermöglicht eine längere Reichweite für Elektrofahrzeuge. (230-250 Wh/kg)
• Gute Leistung: NMC-Akkus bieten eine ausgezeichnete Leistung und sind in der Lage, hohe Entladeströme zu liefern. Dies ist besonders wichtig für Elektrofahrzeuge, die eine schnelle Beschleunigung erfordern.
• Breite Anwendungsbereiche: NMC-Akkus werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich Elektrofahrzeugen, tragbaren Elektronikgeräten und Energiespeichersystemen für erneuerbare Energien.

Nachteile:

• Zykluslebensdauer: Obwohl NMC-Akkus im Allgemeinen eine gute Lebensdauer haben, können sie bei intensiver Nutzung und tiefen Entladungen schneller altern. Dies kann die Anzahl der Lade- und Entladezyklen begrenzen, bevor die Kapazität merklich abnimmt. Aber in der Regel länger als die restlichen Komponenten des Fahrzeuges, bei modernen Elektroautos sind 1 Millionen KM bis zum Erreichen von 80% der ursprünglichen Kapazität möglich, selbst danach ist das Fahrzeug nutzbar nur mit etwas weniger Reichweite.Ladezustand: NMC-Akkus fühlen sich bei Ladezuständen zwischen 20-80% am wohlsten. Daher gibt es Empfehlungen, die Akkus bei längere Nichtnutzung (ab 4 Wochen) in einen Ladezustand um die 60% zu versetzen. Gleiches gilt für tiefen Entladung, wenn die Fahrzeuge leer sind und längere Zeit so verbleiben. Dafür haben Hersteller aber zusätzlich einen Puffer verbaut, welcher die Brutto/Netto kWh Angaben erklären. Auch hier sind diese Dinge eher für Händler relevant, die Fahrezuge längere Zeit lagern müssen.
• “Sicherheit”: NMC-Akkus sind empfindlich gegenüber Hitze und äußeren Einwirkungen. Dies resultiert aus der chemischen Zusammensetzung der Zelle, die die Freisetzung von Sauerstoff ab 180 Grad Celsius ermöglicht, was wiederum andere Komponenten entzünden kann. Jedoch sind diese Sicherheitsrisiken in der Regel auf äußere Faktoren beschränkt. Das Durchdringen des Akkus, wie es im BYD-Video gezeigt wurde, erfordert eine beträchtliche Kraftanstrengung, die in normalen Autoszenarien selten vorkommt. In der Regel sind die Akkus in einer Stahl- oder Titanwanne untergebracht, die den Akku vor äußeren Einflüssen schützt (wie auch auf dem Bild am Anfang dieser Seite zu sehen ist). Darüber hinaus überwacht das Batteriemanagement-System im Akku die Ladeströme und unterbricht das System im Falle von Problemen. Tatsächlich haben wir mittlerweile ein so hohes Maß an Schutz erreicht, dass bei Tesla-Fahrzeugen, die in Brand gesteckt wurden, zwar der Innenraum verbrannte, der Akku jedoch unbeschädigt blieb. Bei Akkus, die nicht in Autos verbaut sind, wie etwa in Handys oder E-Bikes, ist die Situation jedoch weniger optimal, und der Schutz vor äußeren Einflüssen ist nicht so ausgeprägt wie bei Autos, was zu thermischen Problemen führen kann. Genau wie im Film, wo Autos oft spektakulär explodieren, sieht die Realität oft anders aus, aber eine Explosion ist nunmal specktakulärer für die Zuschauer.

Nickel-Kobalt-Aluminium-Akkumulator (NCA)

Nur der Vollständigkeit halber sollten wir auch den Nickel-Kobalt-Aluminium-Akkumulator (NCA) von Tesla erwähnen, der mit einer höheren Energiedichte von 322 Wh/kg aufwartet. Dieser Akkutyp ist etwas teurer, da er einen höheren Kobaltanteil aufweist, aber er bietet Leistungen, die im High-End-Bereich gefordert werden. Ansonsten ähneln die Eigenschaften denen von NMC-Akkus.

Die Zukunft

Vor Kurzem gab es Meldungen über zwei neue Akkus, die für das Jahr 2024 angekündigt wurden. Daher möchten wir diese kurz beleuchten.

CATL „Condensed Battery“ mit 500 Wh/kg

Der chinesische Akkuhersteller CATL hat die Einführung einer Batterie mit einer Energiedichte von 500 Wh/kg angekündigt, was einer Verdopplung der Energiedichte von herkömmlichen NMC-Akkus entspricht. Es ist bisher nur wenig über diese Akkus bekannt, sie tragen den Namen “Condensed Battery” und sind in der Lage, in Branchen wie der Luftfahrt oder dem Schwerverkehr eingesetzt zu werden. Aufgrund der Nachfrage wird erwartet, dass diese Akkus zunächst im PKW-Bereich nur in Sportwagen verfügbar sein werden. Hoffentlich erhalten wir in naher Zukunft weitere Informationen zu diesem spannenden Produkt.

Natrium-Ionen-Akkumulator (SIB)

Die andere spannende Ankündigung betrifft den Bereich der Natrium-Ionen-Akkumulatoren (SIB), bei denen voraussichtlich ab 2024 Fahrzeuge in China verfügbar sein werden. SIBs haben hinsichtlich der Energiedichte ähnliche Eigenschaften wie LFP-Zellen, scheinen jedoch nun in denselben Energiedichtebereich vorgedrungen zu sein. Mit Natrium als Basis ist dieser Akku natürlich kostengünstiger als die Lithium-Alternativen. Diese Akkus werden, ähnlich wie LFP-Akkus, hauptsächlich im Einstiegsbereich und bei kleineren Fahrzeugen eingesetzt werden.

Festtstoffakku