BYD-Chefwissenschaftler: LiFePO4 Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien werden in 20 Jahren noch nicht auslaufen

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Oktober 8, 2024

"Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) Batterien in den nächsten 20 Jahren nicht auslaufen werden", sagte Lian Yubo, Chief Scientist bei BYD. Dieser Standpunkt wird vor dem Hintergrund der Solid-State Batterien bereits an der Schwelle zur Kommerzialisierung. Ist das sinnvoll? Oder wird der technologische Weg des Lithium-Eisen-Phosphats irgendwann zu Ende sein?

In diesem Video werden wir uns mit diesem Thema beschäftigen. Zunächst einmal ist es wichtig zu wissen, dass auf dem chinesischen Markt, LFP ist derzeit der dominierende Akteur, dessen Installationsvolumen das von ternärem Lithium in drei aufeinanderfolgenden Jahren übertrifft. Nach den maßgeblichen Statistiken belief sich das Installationsvolumen von ternärem Lithium im Elektrofahrzeugsektor von Januar bis Juli 2024 auf 30%, während LFP für 70% ausgemacht. Dies deutet darauf hin, dass LFP derzeit die erste Wahl für Strombatterien ist, vor allem aufgrund seiner herausragenden Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Lebensdauer und Anschaffungskosten im Vergleich zu ternärem Lithium.

Der Grund für die Dominanz von LFP ist weitgehend auf seine Kristallzusammensetzung und -struktur zurückzuführen. LFP gehört chemisch gesehen zur Olivinstruktur, und die starken dreidimensionalen chemischen Bindungen, die von der Phosphatgruppe gebildet werden, verleihen ihm eine ausgezeichnete thermodynamische und kinetische Stabilität. Seit der ersten Berichterstattung im Jahr 1997 wurde LFP als Kathodenmaterial so strukturiert, dass es stabil ist, was die Grundvoraussetzung für seine Kommerzialisierung ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Struktur der Batterie während des Betriebs nicht leicht zusammenbricht, wenn Lithiumionen interkalieren und de-interkalieren. Darüber hinaus bieten die reichlich vorhandenen und kostengünstigen Elemente Phosphor und Eisen einen starken Kostenvorteil für LFP.

Ihr bekanntester Vorteil ist ihr hohes Sicherheitsprofil. Untersuchungen zum thermischen Durchgehen der beiden Batterietypen unter Erhitzungsbedingungen zeigen, dass LFP nur eine große Menge Rauch freisetzt, ohne zu verbrennen, wobei die höchste Temperatur über 500 Grad Celsius erreicht. Im Gegensatz dazu setzt ternäres Lithium nicht nur Rauch frei, sondern verbrennt auch heftig, wobei die höchste Temperatur über 1000 Grad Celsius erreicht. Aus thermischer Sicht beträgt die Wärmefreisetzung von LFP 0,162 Megajoule und die Rate 1,81 Kilowatt, während ternäres Lithium 3,147 Megajoule mit einer Rate von 134,85 Kilowatt freisetzt. Diese Daten weisen auf einen signifikanten Unterschied in der Leistung der beiden Batterietypen unter thermischen Runaway-Bedingungen hin.

Insbesondere unter dem Aspekt der Geschwindigkeit ist die Gefahr von ternärem Lithium sehr hoch. Das bedeutet, dass LFP im Falle eines thermischen Durchgehens mehr Zeit für Flucht und Handhabung bietet, während ternäres Lithium in einem Augenblick die Kontrolle verliert. Daher ist das Installationsvolumen von LFP weitaus größer, da seine bessere inhärente Sicherheit die Schwierigkeiten und Kosten des Wärmemanagements auf Systemebene verringern kann.

Für viele Modelle des mittleren bis unteren Preissegments ist LFP die beste Wahl. Für viele Modelle des mittleren bis oberen Preissegments ist jedoch ternäres Lithium derzeit eine unumgängliche Option, um eine bessere Ausdauer zu erreichen. Was die Energiedichte betrifft, so ist LFP sowohl in Bezug auf die Massendichte als auch auf die Volumendichte nicht so gut wie ternäres Lithium. In Bezug auf die Masse liegt LFP hauptsächlich bei 140 bis 180 Wattstunden pro Kilogramm, während ternäres Lithium hauptsächlich bei 200 bis 260 Wattstunden pro Kilogramm liegt.

Aus volumetrischer Sicht liegt LFP bei etwa 300 bis 400 Wattstunden pro Liter, während ternäres Lithium bei etwa 500 bis 700 Wattstunden pro Liter liegt. Natürlich haben einige High-End-Produkte den Referenzbereich bereits durchbrochen, aber insgesamt ist der Energieunterschied zwischen den beiden sehr deutlich, insbesondere der Unterschied in der volumetrischen Energiedichte. Der Massenunterschied ist nicht besonders drastisch, und Mainstream-Technologien wie CTP, CTC und CTB können ihn auf Pack- oder Fahrzeugebene ausgleichen, aber das Volumen ist aufgrund des begrenzten Platzes im Batteriefach eine größere Herausforderung.

Da LFP keine Vorteile in Bezug auf Masse oder Volumen hat, entscheiden sich einige High-End-Modelle für Langzeiterfahrungen normalerweise nicht für LFP. Die Schlüsselfrage ist hier, ob LFP mit ternärem Lithium mithalten kann, um das aktuelle Niveau von ternärem Lithium zu erreichen. Betrachtet man die einzelne Zelle, so dürfte sie nicht mit dem Tempo von ternärem Lithium mithalten können, aber sie kann durchaus das derzeitige Niveau von ternärem Lithium erreichen.

Für solche Lithiumbatterien gibt es in der Regel drei Wege zur Erhöhung der Energiedichte, insbesondere der volumetrischen Energiedichte: Arbeitsspannung, Packungsdichte und massenspezifische Kapazität. Erläutern wir jeden dieser Wege. Bei der Arbeitsspannung geht es um den Reaktionsmechanismus von LFP, der sich erheblich von ternärem Lithium unterscheidet, da die Kathode von LFP während des Ladens und Entladens hauptsächlich zwei stabile Phasen aufweist: die Fe2+-Phase und die Fe3+-Phase. Dies bedeutet, dass der Lade- und Entladevorgang im Wesentlichen ein zweiphasiger Migrationsprozess ist, bei dem eine Phase in eine andere übergeht. Dies führt zu einer stabilen Spannungsplattform von etwa 3,4 V für LFP, die über einen langen Zeitraum beibehalten wird.

Ternäres Lithium hingegen weist während des Ladens und Entladens einen einphasigen Übergang auf, bei dem Lithiumionen kontinuierlich interkalieren und de-interkalieren, ohne dass es eine klare Phasengrenze gibt. Dies führt bei ternärem Lithium zu einer steileren Spannungskurve ohne klare Spannungsplattform, die sich mit der schwankenden Lithiumionenkonzentration ändert. Aus diesem Grund ist die Bestimmung der Batterieladung bei ternärem Lithium präziser, während LFP eine regelmäßige Kalibrierung erfordert, da die Batterieladung durch die Erfassung von Spannungswerten bestimmt wird.

Die Arbeitsspannung der LFP wird durch die Redoxreaktion von Eisenionen bei 3,4 Volt erzeugt. Die Elemente Phosphor und Sauerstoff spielen nur eine Rolle für die strukturelle Stabilität und die Kanalübertragung. Aufgrund des Reaktionsmechanismus ist es schwierig, die Spannungsplattform von LFP zu erhöhen, da sie durch die Kristallstruktur bestimmt wird und der Spielraum für Änderungen sehr gering ist. Daher ist die Erhöhung der Arbeitsspannung ein schwieriger Weg.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Packungsdichte zu erhöhen und das Kathodenmaterial von LFP kompakter zu machen. Die theoretische Dichte von LFP beträgt 3,6 Gramm pro Kubikzentimeter, während die derzeit handelsüblichen LFP eine Packungsdichte von etwa 2,4 bis 2,5 Gramm pro Kubikzentimeter aufweisen. Dies zeigt, dass es noch viel Raum für Verbesserungen gibt. Was die Packungsdichte anbelangt, so ergeben sich die Verbesserungen in der Industrie hauptsächlich aus drei Aspekten: Verbesserung der Rohstoffe und der Prozessrouten, Verbesserung des Sinterprozesses und der Partikelgrößenverteilung.

Die letzte Richtung zur Erhöhung der Energiedichte ist die massenspezifische Kapazität, d. h. die Menge an Ladung pro Masseneinheit des Kathodenmaterials, die gespeichert oder abgegeben werden kann. Aus der chemischen Formel von LFP geht hervor, dass ein Mol LFP nur ein Mol Lithium-Ionen einlagern kann, was einer theoretischen massenspezifischen Kapazität von 170 Milliamperestunden pro Gramm entspricht. In Wirklichkeit liegt die Kapazität kommerzieller LFP-Batterien nur bei etwa 130 und kann bei hoher Auslastung noch geringer sein. Dieses Kapazitätsproblem stellt eine erhebliche Einschränkung der Energiedichte von LFP dar.

Der zugrunde liegende elektrochemische Mechanismus ist die kinetische Leistung des Kathodenmaterials, d. h. die Leitfähigkeit von Elektronen und Lithiumionen. Wenn die Leitfähigkeit sehr niedrig ist, kann das Kathodenmaterial nicht vollständig genutzt werden, d. h. die Nutzungseffizienz ist gering. Der Schlüssel liegt darin, die kinetische Leistung zu verbessern, um sich dem theoretischen Wert so weit wie möglich anzunähern. Es ist wichtig zu beachten, dass LFP ein Halbleiter ist und seine elektronische Leitfähigkeit nicht von Natur aus vorteilhaft ist. Der Lithium-Ionentransportkanal ist außerdem ein interstitieller Kanal mit einem niedrigen Diffusionskoeffizienten.

Trotz der ausgezeichneten strukturellen Stabilität ist die Leitfähigkeit also ein erheblicher Nachteil. Aus Sicht der Industrie wird die Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit hauptsächlich durch Nanokristallisierung, Kohlenstoffbeschichtung und Dotierung erreicht. Derzeit enthalten die meisten kommerziellen LFP-Batterien nanoskalige LFP-Partikel mit Kohlenstoffbeschichtungen, die ein leitfähiges Netzwerk bilden, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Die Dichte der Kohlenstoffbeschichtung ist jedoch gering, so dass sich diese Maßnahme und die Packungsdichte gegenseitig ausschließen, was umfassende Verbesserungen bei der Formulierung der Kohlenstoffquellen und den Verfahren erfordert.

Was die Diffusionsraten von Lithium-Ionen betrifft, so werden dieselben Methoden verwendet, da beim Laden und Entladen die Diffusion von Lithium-Ionen und die Leitung von Elektronen gekoppelt sind. Bei der Entladung kommt beispielsweise ein Lithium-Ion von der Anode und gleichzeitig ein Elektron durch den externen Stromkreis. Daher wird die Verbesserung der Diffusionsrate von Lithium-Ionen auch durch Nanokristallisierung, Kohlenstoffbeschichtung und Dotierung angestrebt. Fachzeitschriften zufolge ist Mangan ein vielversprechendes Dotierungselement. Tatsächlich ist Lithium-Mangan-Eisenphosphat selbst ein Kathodenmaterial, und die durch die Oxidation von Manganionen hervorgerufene Spannungsplattform liegt bei bis zu 4,1 Volt, was die Energiedichte deutlich erhöhen kann, ohne die Kosten wesentlich zu steigern.

Aufgrund der noch geringeren elektronischen Leitfähigkeit von Lithium-Mangan-Eisenphosphat können die bestehenden Modifikationsverfahren diesen Nachteil jedoch nicht ausgleichen, so dass dieses Kathodenmaterial derzeit kaum auf dem Markt ist. Da Mangan-Ionen chemisch den Eisen-Ionen ähnlich sind, können sie in der Kristallstruktur gleichmäßig in beliebigen Anteilen vorhanden sein, was eine verbesserte Dotierung ermöglicht. Da der Radius von Manganionen etwas größer ist, kann ein teilweiser Ersatz von Eisen durch Mangan den Kristall erweitern und die Diffusionswirkung von Lithiumionen verbessern.

Es heißt, dass inländische Hersteller bereits mit der Forschung und Entwicklung von Lithium-Mangan-Eisenphosphat-Materialien begonnen haben. Darüber hinaus wird auch der Syntheseprozess des gesamten LFP-Kathodenmaterials kontinuierlich optimiert. Indem man die internen Defekte, die Partikelgröße und die Übertragungswege so weit wie möglich kontrolliert, kann die Energiedichte bis zu einem gewissen Grad weiter verbessert werden.

Es kann bestätigt werden, dass die technologische Entwicklung von LFP noch nicht abgeschlossen ist und sich die Energiedichte in Zukunft weiter verbessern wird. In Anbetracht der Tatsache, dass LFP auch eine ausgezeichnete thermische Stabilität, eine lange Lebensdauer und relativ niedrige Rohstoffkosten aufweist, sind seine Zukunftsaussichten recht breit gefächert

SPIDERWAY LFP Lithium-Eisen-Phosphat Batterie: Präziser und leistungsstarker Antrieb für Industriefahrzeuge

Im Bereich der Stromversorgungslösungen für Industriefahrzeuge, SPIDERWAY LFP-Batterien aus Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) haben sich eine Nische geschaffen und bieten eine Mischung aus hoher Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit. Diese Batterien wurden speziell für die strengen Anforderungen industrieller Anwendungen entwickelt, bei denen Leistung und Haltbarkeit an erster Stelle stehen.

Anwendungen in Industriefahrzeugen

SPIDERWAY LFP-Batterien werden in einem breiten Spektrum von Industriefahrzeugen eingesetzt. Sie sind das Herzstück von Gabelstaplern, Golfwagen, Hubarbeitsbühnen und vielem mehr und liefern die konstante Energie, die diese Fahrzeuge benötigen, um ihre Funktionen effizient auszuführen.

Produkt- und Markenvorteile

Die Vorteile der SPIDERWAY LFP-Batterien sind vielfältig:

Hohe Leistung: Diese Batterien liefern eine außergewöhnliche Leistung und Effizienz und sorgen dafür, dass Industriefahrzeuge ohne Kompromisse Höchstleistungen erbringen können.
Schnelles Aufladen: Diese Batterien ermöglichen ein schnelles Aufladen, wodurch die Produktivität maximiert wird, da die Maschinen länger in Betrieb bleiben.
Sicherheit und Stabilität: Ausgestattet mit fortschrittlichen Batterie-Management-Systemen (BMS), gewährleisten SPIDERWAY-Batterien einen sicheren Betrieb während des gesamten Ladevorgangs und verringern so das Unfallrisiko.
Langlebigkeit: Diese Batterien haben eine bemerkenswerte Lebensdauer und werden mit einer 10-Jahres-Garantie geliefert. Sie bieten einen hohen Wert und langfristige Zuverlässigkeit.
Umweltfreundlich: SPIDERWAY LFP-Batterien werden aus ungiftigen, nicht-schwermetallhaltigen Materialien hergestellt und entsprechen damit der weltweit wachsenden Bedeutung von Nachhaltigkeit.

Automatisierte Produktionslinie und Größenvorteile

NewsAnalyse des Wettbewerbsvorteils von Chinas Lithium-Batterie-Industrie — Analyse der Wettbewerbsvorteile der chinesischen Lithium-Batterie-Industrie

NewsDie Vorteile chinesischer OEM-Fabriken für Gabelstaplerbatterien — Analyse der Wettbewerbsvorteile der chinesischen Lithium-Batterie-Industrie

SPIDERWAY hat eine hochmoderne automatisierte Produktionslinie eingerichtet, die eine präzise Fertigung und eine effiziente Produktion ermöglicht. Dies gewährleistet nicht nur hohe Qualitätsstandards für alle Produkte, sondern ermöglicht auch die Nutzung von Skaleneffekten, um wettbewerbsfähige Preise anzubieten. Das Unternehmen produziert jährlich mehr als 10.000 Lithiumbatterien und kann so den wachsenden Bedarf des Marktes effizient decken.

Preisliche Wettbewerbsfähigkeit

Durch die Beherrschung des Produktionsprozesses und die Aufrechterhaltung einer robusten Lieferkette ist SPIDERWAY in der Lage, seine hochwertigen LFP-Batterien zu wettbewerbsfähigen Preisen zu liefern. Diese preisliche Wettbewerbsfähigkeit wird durch das Engagement des Unternehmens im Bereich des Kostenmanagements untermauert, wodurch sichergestellt wird, dass die Kunden bei gleichbleibender Qualität von den Vorteilen optimierter Produktionskosten profitieren.

Premiumklasse LFP-Batterie Zellen von Top-Lieferanten

Um sein Engagement für Qualität zu unterstreichen, bezieht SPIDERWAY seine LFP-Batteriezellen ausschließlich von vier erstklassigen Lieferanten: BYD, CATL, EVE Energy und LISEHN. Diese Lieferanten sind bekannt für ihre LFP-Zellen der Güteklasse A, die auf ihre Leistung und Zuverlässigkeit geprüft werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die SPIDERWAY-Batterien die strengen Anforderungen verschiedener industrieller Anwendungen erfüllen und eine leistungsstarke Garantie für苛刻的工况要求 bieten.

SPIDERWAY LFP-Batterien sind ein Beweis für das Engagement des Unternehmens für Innovation, Qualität und Kundenzufriedenheit. Während sich die Welt zu nachhaltigeren und effizienteren Energielösungen hinbewegt, steht SPIDERWAY an vorderster Front und bietet Industriefahrzeugen die Energie, die sie brauchen, um ihr Bestes zu geben.

Autorenprofil

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