Lithiumbatterie für Elektroautos

Angesichts der ständig steigenden Kraftstoffpreise rücken Elektro- und Hybridfahrzeuge immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses. Doch neben der Wirtschaftlichkeit ist es wichtig, die zentrale Rolle ihrer Lithium-Batterien zu verstehen.

Pro Lithium bietet Ihnen einen Überblick über diese Technologien, wobei die Vor- und Nachteile des Elektroantriebs erörtert werden. Wir werden analysieren, wie die Batterie die Leistung, die Reichweite und die langfristigen Kosten beeinflusst, um Ihnen zu helfen, eine fundierte Entscheidung beim Kauf Ihres nächsten Fahrzeugs zu treffen.

Die Leistung eines Elektroautos, wieReichweite,Beschleunigung und Gewicht des Fahrzeugs, hängt direkt von den Eigenschaften der Lithiumbatterie ab. Das Verständnis des Batterietyps ist daher von entscheidender Bedeutung, um die Vor- und Nachteile jedes Modells zu verstehen.

Type batterie	Densité Energetique	Densité de puissance	Stabilité	Tolérance températures	Durée de vie	Coût	Moyenne
(Composant)	Kwh/Kg	Kw/Kg	Fiablité / Sécurité	Résistance Temp / Hum	Années	Kw	Performance
LiCoO2 - Dioxyde de Cobalt de Lithium	8/10	4/10	4/10	6/10	4/10	6/10	5.33/10
NMC - Lithium Nickel Cobalt Manganèse	8/10	6/10	6/10	6/10	6/10	6/10	6.33/10
LFP - Lithium Fer Phosphate LifePo4	4/10	8/10	8/10	8/10	8/10	8/10	7.33/10
NCA - Lithium oxyde d\'Aluminium Nickel Cobalt	8/10	6/10	4/10	6/10	6/10	4/10	5.66/10
LMO - Lithium ion oxyde de manganèse	6/10	6/10	6/10	4/10	4/10	6/10	5.33/10
LTO - Titanate de Lithium Li4Ti2O12	4/10	6/10	8/10	8/10	8/10	2/10	6/10

Type batterie

Densité Energetique

Densité de puissance

Stabilité

Tolérance températures

Durée de vie

Coût

Moyenne

(Composant)

Kwh/Kg

Kw/Kg

Fiablité / Sécurité

Résistance Temp / Hum

Années

Performance

LiCoO2 - Dioxyde de Cobalt de Lithium

8/10

4/10

6/10

4/10

6/10

5.33/10

NMC - Lithium Nickel Cobalt Manganèse

8/10

6/10

6.33/10

LFP - Lithium Fer Phosphate LifePo4

4/10

8/10

7.33/10

NCA - Lithium oxyde d\'Aluminium Nickel Cobalt

8/10

6/10

4/10

6/10

4/10

5.66/10

LMO - Lithium ion oxyde de manganèse

6/10

4/10

6/10

5.33/10

LTO - Titanate de Lithium Li4Ti2O12

4/10

6/10

8/10

2/10

6/10

Batterietyp Lithium (Chemie)

Wenden wir uns nun den wichtigsten Lithium-Ionen-Batterietechnologien auf dem Markt zu: NMC, LFP, LTO, NCA, LiCoO₂ und LMO.

Lithium-Ionen- und Lithium-Batterie die Unterschiede?!

Lithium-Ionen / Li-Ionen

Es ist üblich, die Begriffe “Lithiumbatterie” und “Lithium-Ionen-Batterie” zu verwechseln. Es handelt sich hierbei jedoch um zwei unterschiedliche Technologien:

Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion): Dies ist die Technologie, die wir heute überall finden, in unseren Telefonen, Laptops und der großen Mehrheit der Elektrofahrzeuge. Das Wort“Ion” ist entscheidend, da es sich um ein Lithium-Ion handelt, das sich bewegt, um Energie zu erzeugen.

Lithium-Ionen und Lithium: Was ist der Unterschied?

Lithium-Metall-Batterie: Die Anode besteht direkt aus reinem Lithiummetall. Dieses Metall fungiert als Elektrode, und Lithiumionen ( $L i^{+}$ ) bewegen sich während des Betriebs zwischen den Elektroden.

Lithium-Kobalt-Akku (LiCoO₂)

Die Lithium-Kobalt-Batterie (LiCoO₂), auch bekannt als LCO oder LICO, ist eine der ersten Lithium-Ionen-Technologien, die auf den Markt gebracht wurde.

Sie besteht aus einer Kathode aus Kobalt- und Lithiumoxid und einer Anode aus Graphit, deren übereinander liegende Schichten die Lithiumionen aufnehmen. Obwohl ihre Produktionskosten relativ niedrig sind, wird sie heute aufgrund ihrer kürzeren Lebensdauer und ihrer geringen Schnellladefähigkeit weniger in Hochleistungsanwendungen eingesetzt.

Daher wird es hauptsächlich in Geräten verwendet, bei denen seine niedrigen Kosten ein Vorteil sind, wie Mobiltelefone und Laptops.

Zuständige Zelle

Wenn die Batterie geladen ist, haben die Lithiumionen die Kathode verlassen. Es entsteht wieder Lithium. Kobaltdioxid ( $C o O_{2}$ ) an der Kathode (positiver Pol) und des Lithiumgraphit ( $L i C_{6}$ ) an der Anode (negativer Pol).

Zelle entladen

Diese Zelle hat eine Lebensdauer von ca. 800 Zyklen bei einer Nennspannung von 3,6 V und einer Energiedichte von ca. 200 Wh/kg.

Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO₄), gemeinhin als LFP bezeichnet, sind eine Lithium-Ionen-Technologie, die immer beliebter wird. Sie sind für ihre niedrigen Produktionskosten bekannt und werden zunehmend in Elektrofahrzeugen von Herstellern wie Tesla und BYD, aber auch in der Industrie und für stationäre Energiespeichersysteme eingesetzt.

Vorteile

Sicherheit und Haltbarkeit: Sie haben eine ausgezeichnete thermische Stabilität und enthalten weder Kobalt noch Nickel, was sie sicherer macht.
Lange Lebensdauer: Sie bieten eine außergewöhnlich lange Lebensdauer mit mehr als 5.000 Lade- und Entladezyklen, was sie sehr langlebig macht.
Kosten: Die niedrigen Herstellungskosten machen sie zu einer kostengünstigeren Lösung.

Nachteile

Energiedichte: Die Energiedichte ist im Vergleich zu anderen Chemikalien um ca. 15% geringer, was sie bei gleicher Kapazität schwerer und sperriger macht.
Leistung bei niedrigen Temperaturen: Sie sind weniger leistungsfähig, wenn die Nutzungstemperaturen unter 15 °C liegen.

Zuständige Zelle

Wenndie LFP-Batterie (Lithium-Eisen-Phosphat) geladen ist, sind die beiden Elektroden wie folgt zusammengesetzt:

Positiver Pol (Kathode): Er besteht aus Eisenphosphat ( $F e P O_{4}$ )Lithiumionen ( $L i^{+}$ ), die ihn während des Ladevorgangs verlassen haben.
Negativer Pol (Anode): Er besteht aus Lithiumgraphit ( $L i C_{6}$ )Das Lithium wurde zwischen den Graphitschichten eingefügt.

Zelle entladen

LFP-Zellen haben eine bemerkenswerte Lebensdauer von mehr als 5.000 Lade- und Entladezyklen.

Sie haben eine Nennspannung von 3,2 V und eine Energiedichte von ca. 100-110 Wh/kg.

Außerdem sind sie sehr temperaturbeständig, ihre Temperaturstabilität beträgt bis zu 250 °C.

Lithiumbatterien des Typs NMC (Nickel Mangan Cobalt) sind die am weitesten verbreiteten Batterien auf dem europäischen Markt für Elektrofahrzeuge. Ihre Beliebtheit ist auf ihre Leistung und hohe Energiedichte zurückzuführen.

Zusammensetzung und Arbeitsweise

Die Besonderheit dieser Batterien liegt in der Zusammensetzung ihrer Kathode (der positiven Elektrode), die aus einer Mischung von Nickel-, Mangan- und Kobaltoxiden besteht. Von dieser Mischung leitet sich auch die Bezeichnung NMC ab.

Diese Batterien funktionieren nach dem Lithium-Ionen-Prinzip: Bei der Entladung wandern Lithiumionen (Li+) von der Anode zur Kathode und erzeugen so einen elektrischen Strom.

Vor- und Nachteile

Vorteile: NMC-Batterien sind für ihre hohe Energiedichte bekannt, die es ihnen ermöglicht, eine große Energiemenge bei geringem Gewicht und Volumen zu speichern. Sie bieten außerdem eine hervorragende Leistung und eine überdurchschnittlich lange Lebensdauer.
Nachteile : Sie sind empfindlicher gegenüber hohen Temperaturen, was sie weniger stabil machen kann. Außerdem macht die Verwendung von Kobalt und Nickel, deren Gewinnung teuer ist und ethische Fragen aufwirft, diese Batterien teurer.

Zuständige Zelle

Wenn die NMC-Batterie geladen ist, sind die beiden Elektroden wie folgt zusammengesetzt:

Positiver Pol (Kathode) : Er besteht aus einer Mischung aus Nickel, Mangan und KobaltLithiumionen ( $L i^{+}$ ), die ihn während des Ladevorgangs verlassen haben.
Negativer Pol (Anode): Er besteht aus Lithiumgraphit ( $L i C_{6}$ )Das Lithium wurde zwischen den Graphitschichten eingefügt.

Zelle entladen

Die NMC-Zellen haben eine Lebensdauer von 1.500 bis 2.000 Lade- und Entladezyklen. Sie haben eine Nennspannung von 3,6 V und eine hohe Energiedichte von ca. 200 Wh/kg.

Lithium-Mangan-Batterien (LMO)

Lithium-Mangan-Batterien(LiMn₂O₄), besser bekannt unter dem Akronym LMO, sind eine Lithium-Ionen-Technologie, die für ihre Sicherheit und Stabilität bekannt ist.

Zusammensetzung: Sie zeichnen sich durch eine Kathode (positiver Pol) aus Mangandioxid und eine Anode (negativer Pol) aus Graphit aus.
Funktionsweise: Wie bei allen Lithium-Ionen-Batterien beruht die Funktionsweise auf der Bewegung der Lithiumionen durch eine Trennmembran, die einen Kurzschluss verhindert.

Hauptmerkmale

Thermische Stabilität: LMO-Batterien sind sehr stabil und weniger anfällig für Überhitzung, was sie zu einer sehr sicheren Option macht.
Schnelle Entladung: Sie sind in der Lage, hohe Ströme zu liefern, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine hohe Leistung erfordern, wie Elektrowerkzeuge oder Hybridfahrzeuge.
Nachteile : Ihr Hauptnachteil ist die im Vergleich zu NMC-Batterien geringere Energiedichte und die im Allgemeinen kürzere Lebensdauer.

Zuständige Zelle

Wenn die Mangan-Batterie geladen ist, sind die beiden Elektroden wie folgt zusammengesetzt:

Positiver Pol (Kathode): Er besteht aus Mangandioxid ( $M n_{2} O_{4}$ )Die Lithiumionen haben ihn während des Ladevorgangs verlassen.
Negativer Pol (Anode): Er besteht aus Lithiumgraphit ( $L i C_{6}$ )Das Lithium wurde zwischen den Graphitschichten eingefügt.

Zelle entladen

Die Lithium-Mangan-Batterie ( $L i M n_{2} O_{4}$ ) hat eine Lebensdauer von etwa 600 Lade- und Entladezyklen. Die Nennspannung beträgt 3,6 V und die Energiedichte liegt bei 140 Wh/kg. Darüber hinaus zeichnet sie sich durch eine hohe thermische Stabilität aus, die Temperaturen bis zu 250 °C standhält.

Lithiumbatterien des Typs NCA (Nickel Cobalt Aluminium) mit der chemischen Formel $L i N i C o A l O_{2}$ Die in diesem Bericht beschriebenen Technologien sind eine Hochleistungstechnologie, die jedoch einige Herausforderungen mit sich bringt.

Vor- und Nachteile

Vorteile: Der Hauptvorteil von NCA-Batterien ist ihre sehr hohe Energiedichte, die höher ist als die anderer chemischer Verbindungen. Dies ermöglicht die Speicherung großer Energiemengen bei geringem Gewicht, was ideal für Elektrofahrzeuge ist, die eine maximale Reichweite benötigen.
Nachteile : Diese Batterien sind aufgrund ihrer Zusammensetzung teurer und empfindlicher gegenüber hohen Temperaturen. Sie benötigen ein leistungsfähiges Wärmemanagementsystem, um ihre Sicherheit zu gewährleisten und ihre Lebensdauer zu maximieren.

Zuständige Zelle

Wenn die NCA-Batterie geladen ist, sind die beiden Elektroden wie folgt zusammengesetzt:

Positiver Pol (Kathode) : Es besteht aus einem Oxid von Nickel, Kobalt und AluminiumLithiumionen ( $L i^{+}$ ), die ihn während des Ladevorgangs verlassen haben.
Negativer Pol (Anode): Er besteht aus Lithiumgraphit ( $L i C_{6}$ )Das Lithium wurde zwischen den Graphitschichten eingefügt.

Zelle entladen

Die NCA-Batterie bietet eine sehr hohe Energiedichte von bis zu 280 Wh/kg bei einer Nennspannung von 3,6 V. Die Lebensdauer der Batterie beträgt ca. 500 Lade- und Entladezyklen. Ihre thermische Empfindlichkeit erfordert jedoch eine vorsichtige Handhabung, da sie Temperaturen von über 150 °C nicht standhält.

LTO-Batterien (Lithium-Titanat)

Die LTO-Batterie ( $L i_{4} T i_{5} O_{12}$ ) ist eine einzigartige Technologie, die sich durch die Verwendung von Lithiumtitanat anstelle von Graphit für die Anode (negative Elektrode) auszeichnet.

Vor- und Nachteile

Erhöhte Sicherheit: Das Fehlen von Graphit macht die Batterie extrem sicher, da es das Risiko eines Brandes oder einer Explosion aufgrund von Überhitzung erheblich reduziert.
Lebensdauer und Zyklen: LTO-Batterien zeichnen sich durch eine außergewöhnlich lange Lebensdauer aus, die mehrere tausend Lade- und Entladezyklen übersteht.
Extrem schnelles Laden : Ihr Design ermöglicht extrem hohe Lade- und Entladeraten, wodurch sie sich ideal für Anwendungen eignen, bei denen das Aufladen innerhalb weniger Minuten erfolgen muss.
Nachteile : Der Hauptschwachpunkt von LTO-Batterien ist ihre geringe Energiedichte, die sie schwerer und größer als andere Batterien mit gleicher Kapazität macht. Die Produktionskosten sind ebenfalls höher.

LTO (Lithium-Titanat)-Batterien zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche Lebensdauer aus. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich auf ihrer Titanat-Anode keine SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) bildet.

In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien bildet sich über die Graphitanode im Laufe der Zyklen eine SEI-Schicht, die immer dicker wird. Dieser Prozess verbraucht allmählich Lithium, was zu einer Verringerung der Kapazität und einer Verschlechterung der Batterie führt.

Im Gegensatz dazu ist die Anode der LTO-Batterien stabil und unterliegt diesem Phänomen nicht, wodurch die Kapazität der Batterie über eine sehr große Anzahl von Zyklen erhalten bleibt.

Lithium-Ionen-Batterien können aus verschiedenen Materialien bestehen, was ihre Eigenschaften verändert. Die Verwendung von Kathoden aus NMC oder LFP (MVO) ist ein gutes Beispiel dafür, da diese Chemikalien die Energiedichte, die Lebensdauer und die Sicherheit der Zellen erheblich variieren können.

LMP-Batterien (Lithium-Metall-Polymer)

Lithium-Metall-Polymer-Batterien (LMP) zeichnen sich durch die Verwendung eines Polymerelektrolyten in Form eines Gels oder festen Materials anstelle eines flüssigen Elektrolyten aus.

Vorteile: Der Polymerelektrolyt bietet eine bessere Stoß- und Vibrationsfestigkeit, was sie unter bestimmten Bedingungen sicherer macht.
Nachteile : Diese Technologie ist jedoch durch eine geringere Anzahl von Lade- und Entladezyklen, etwa 300 Zyklen, begrenzt. Außerdem müssen LMP-Batterien oft bei hohen Temperaturen betrieben werden, um richtig zu funktionieren.

Einer der Hauptnachteile von LMP-Batterien ist ihre hohe Betriebstemperatur, die zwischen 60°C und 80°C gehalten werden muss, um einen ordnungsgemäßen Betrieb und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.

Diese Einschränkung stellte eine große Herausforderung für die Automobilindustrie dar. Aus diesem Grund wurde diese Technologie von Projekten wie dem Carsharing-Service Autolib’ schnell aufgegeben, da die Fahrzeuge ständig an der Steckdose bleiben mussten, um die Temperatur der Batterien zu halten.