Lithium-Eisenphosphat-Akku (LiFePO4)

Im Wohnmobil, im Solarspeicher im Keller, im Elektroboot, im Rasenmäher-Roboter und in vielen Elektroautos der Einstiegsklasse steckt heute ein Akku mit dem sperrigen Kürzel LiFePO4, kurz LFP. Er speichert pro Kilogramm weniger als die Lithium-Ionen-Zellen im Smartphone, hält dafür aber Tausende Zyklen, verträgt Fehler deutlich besser und kommt ohne Cobalt und Nickel aus. Mit vier Zellen in Reihe ergibt er fast genau die Spannung eines 12-V-Blei-Akkus – und hat ihn in vielen Anwendungen bereits verdrängt.

Aufbau und Funktionsweise

Die LiFePO4-Zelle ist eine Lithium-Ionen-Zelle: Lithium-Ionen wandern beim Laden aus der positiven Elektrode in eine Graphit-Elektrode und beim Entladen zurück. Wie diese Einlagerung funktioniert, erklärt Sekundärelemente; den allgemeinen Aufbau mit Wickel, Separator und Elektrolyt beschreibt der Lithium-Ionen-Akku.

Der Unterschied steckt in der positiven Elektrode. Statt eines Metalloxids enthält sie Lithium-Eisenphosphat mit einem stabilen Kristallgitter. Der Sauerstoff ist darin fest an Phosphor gebunden. Wird eine NMC- oder LCO-Zelle überhitzt oder überladen, kann ihr Oxid Sauerstoff freisetzen, der den Brand im Inneren nährt. Eisenphosphat gibt ihn erst bei viel höheren Temperaturen ab. Deshalb gehen LFP-Zellen kaum thermisch durch: Sie können bei Missbrauch heiß werden und abblasen, entzünden sich aber weit seltener.

Eisenphosphat leitet Strom von Natur aus schlecht. Die Hersteller mahlen es deshalb zu sehr feinen Partikeln und überziehen sie mit Kohlenstoff. So erreichen LFP-Zellen hohe Ströme, manche Typen 20C und mehr.

Schaltzeichen

Im Schaltplan zeichnest du die Zelle wie jede andere: langer dünner Strich Plus, kurzer dicker Strich Minus, Referenz BT (siehe Schaltzeichen). Schreib Chemie und Spannung dazu, etwa „LiFePO4 4S 12,8 V“, damit niemand ein falsches Ladegerät plant.

Spannungskurve und Kennwerte

Die Entladekurve ist extrem flach. Zwischen etwa 90 % und 15 % Ladezustand ändert sich die Spannung nur zwischen rund 3,35 V und 3,2 V. Erst ganz voll und ganz leer steigt bzw. fällt sie steil. Den Vergleich mit einer NMC-Zelle zeigt Akkus im Vergleich.

Für die Elektronik ist das angenehm: Die Spannung bleibt fast bis zum Schluss konstant. Für die Ladezustandsanzeige ist es schwierig: Ob die Zelle zu 70 % oder zu 30 % voll ist, unterscheidet sich um wenige 10 mV – weniger als der Spannungsabfall bei mittlerer Last. Brauchbare Anzeigen zählen deshalb die Ladung mit einem Shunt (Coulomb-Zähler) und gleichen sich nur an den Knickpunkten ab.

Datenblattbeispiel: A123 ANR26650M1-B

Diese Rundzelle (26 mm × 65 mm) ist ein Hochstromtyp, der in Werkzeugen, Starthilfen und Notstromsystemen steckt:

Bauformen

LFP-Zellen gibt es als Rundzellen (18650, 26650 und 32700 mit rund 6 Ah), als Pouch-Zellen und vor allem als große prismatische Zellen im Aluminiumgehäuse mit Schraubpolen, mit 50 bis über 300 Ah pro Zelle. Für den Endkunden werden vier solcher Zellen mit BMS zu einer 12,8-V-Batterie im Gehäuse einer Bleibatterie verbaut.

Baust du einen Pack selbst, verbindest du die Zellen mit Kupfer-Stromschienen. Für 4S drehst du jede zweite Zelle um, sodass Plus und Minus der Nachbarzellen nebeneinanderliegen.

LiFePO4 als Ersatz für den Blei-Akku

Vier LFP-Zellen ergeben 12,8 V Nennspannung und laden bis 14,4–14,6 V – fast dieselben Werte wie beim Blei-Akku. Der große Unterschied liegt in der nutzbaren Energie: Einen Blei-Akku solltest du nur zur Hälfte entladen, wenn er lange leben soll, einen LFP-Akku problemlos zu 90 %.

Mit dem Rechner spielst du andere Lasten und Wechselrichter durch; trag als nutzbare Kapazität bei LFP 80–90 % ein:

Beim Tausch musst du aber das Ladegerät prüfen:

• Ladespannung: 14,2–14,6 V passen. Viele Blei-Lader haben eine „Desulfatierungs“- oder Ausgleichsladung mit 15 V und mehr – sie bringt das BMS zum Abschalten oder schädigt Zellen.
• Erhaltungsladung: LFP braucht keine. Dauerhaft 13,8 V halten die Zellen fast voll, was sie stärker altern lässt; besser ist eine niedrigere Spannung um 13,5 V oder gar keine.
• Lichtmaschine: Ein LFP-Akku nimmt sehr hohe Ströme auf und kann die Lichtmaschine eines Fahrzeugs überlasten. Ein Ladebooster begrenzt den Strom.

BMS und Balancing

Jeder LFP-Pack braucht ein Batteriemanagementsystem, das jede Zelle einzeln überwacht, bei Über- und Unterspannung, Überstrom und falscher Temperatur über MOSFETs abschaltet und die Zellen ausgleicht. Bei LFP ist das Ausgleichen besonders tückisch: Auf dem flachen Plateau sehen alle Zellen gleich aus, Unterschiede zeigen sich erst am oberen Knick.

Wie Lade-ICs und Ladegeräte das CC/CV-Verfahren umsetzen, steht unter Akkus richtig laden.

Auswahl und Praxistipps

Kaufe große prismatische Zellen nur als passende Sätze mit gleicher Kapazität und gleichem Innenwiderstand, und lade sie vor dem Zusammenbau einzeln parallel auf dieselbe Spannung. Wähle das BMS nach Dauerstrom, Spitzenstrom (Wechselrichter, Motoranlauf) und Temperaturfunktionen.

Häufige Fehler:

• Lithium-Ionen-Lader verwendet: 4,2 V pro Zelle sind für LFP massive Überladung.
• Ladezustand an der Spannung abgelesen: 13,2 V in Ruhe kann 30 % oder 80 % bedeuten. Nimm einen Batteriemonitor mit Shunt.
• Polschrauben nicht nachgezogen: Lockere Verbindungen an Zellen mit 100 A und mehr werden heiß. Halte das Drehmoment aus dem Datenblatt ein.
• Keine Sicherung: Ein großer LFP-Pack liefert im Kurzschluss Tausende Ampere. Eine Sicherung mit ausreichendem Schaltvermögen gehört direkt an den Pluspol.
• Zellen nicht verspannt: Viele prismatische Zellen verlangen laut Datenblatt eine leichte Pressung zwischen Endplatten, sonst sinkt ihre Lebensdauer.

LFP-Akkus enthalten weder Cobalt noch Nickel, gehören aber trotzdem nicht in den Hausmüll. Große Batterien nimmt der Händler oder ein Fachentsorger zurück; die Pole klebst du vor dem Transport ab.

Selbsttest