Verschieden Typen Lithium Akku

  • Hallo,
    kann mir jemand die Vorteile bzw. Nachteile der verschiedenen Typen von Lithium-Ionen Akkus bezügl eines Batteriespeicher aufzeigen (Zyklenfestigkeit, Sicherheit, Umweltaspekt,....)


    Lithium-Eisenphospat-Akku
    Lithium-Mangan-Akku
    Lithium- Titanat- Akku
    usw.


    Gruß
    Hoartl

  • Hallo Hoartl,


    zu deiner Frage meine bisherigen Erkenntnisse:


    Ich persönlich halte aus folgenden Gründen (besonders bei Eigenbau) LiFe(Y)Po4-Akkus für die beste Wahl bei den Lithium-Zellen:


    - sehr eigenbrandsicher. Brand bei Defekt durch die Zelle selber ist sehr unwahrscheinlich. Dazu findest du auf Youtube auch einen Feuerwehrtest.
    Überladung der Zelle: sie raucht und zerplatzt nach längerer Überladung ohne Feuerentwicklung.
    Kurzschluss mit 100mm². Dabei glühen die Gewindestangen und bringen dadurch den Kunststoff außen leicht in Brand, aber Zelle bildet keinen Brand von Innen.


    - relativ große Zyklenzahl


    Lithium-Titanat-Akkus dürften eine höhere Zyklenzahl aufweisen. Ich nehme allerdings an, das die Lebensdauer bedingt durch Alterung wesentlich früher bei einem Hausspeicher schlagend werden.
    Preise habe ich bisher nur auf Anfrag gesehen. Bedeutet für mich, dass sie wahrscheinlich wesentlich teurer als LiFePo4 sein werden!?


    Meine Erfahrungen mit den Winston-Zellen (LiFeYPo4) sind bisher sehr gut. Zellenspannungen liegen zw. 3V und 3,5V engen beisammen (max. 30 mV, wobei da schon die Toleranzen der Balancer-Module mit eine Rolle spielen können) und dann wirken sich die Toleranzen in Ah praktisch aus.
    Kapazität deutlich höher (mindestens + 5%).
    Natürlich ist der Zeitraum von einem Jahr für eine endgültige Aussage zu kurz.


    l.G.
    Armin

    PV: 5 kWp Solaredge 6000SE, 2 kWp Steca Tarom 6000-M, 2x Studer XTH 6000, 25kWh LiFeYPO4, SMA-Smartload 6 kW Heizpatrone gesteuert mit Powerdog, KIA Soul EV, Opel Ampera (LEAF2 ab April 2018) mit 2 Ladestationen gesteuert mit Powerdog, Ökofen-Pellets-BHKW

  • Hallo,


    auch wenn ich ein neues Mitglied bin (und zudem ohne PV-Anlage), so glaube ich trotzdem, hier etwas beitragen zu können. Ich sage es lieber gleich vorher dazu: Ich habe keinerlei Erfahrung mit Speicherlösungen für den Heimbereich und den damit verbundenen Faktoren (Verschaltung, BMS, Ladesteuerung in Abhängigkeit von der verfügbaren Leistung der PV-Anlage etc.). Meine Kenntnisse beruhen rein auf der Literatur und meinen eigenen Erfahrungen während meiner Forschung an lithiumbasierten Akku-Technologien im Labormaßstab (Kapazität < 10 mAh), und sind daher als Kaufberatung eher schlecht geeignet. Trotzdem denke ich, dass ein wenig Hintergrundwissen nicht schaden kann :)


    Zunächst einmal: Die meisten heute gängigen Li-Akkutechnologien basieren auf der Verwendung einer Anode aus Graphit, die reversibel Lithium-Ionen einlagern (intercalieren) kann, so dass im Normalbetrieb in der Zelle nirgendwo metallisches Lithium auftritt, sondern "nur" Lithium-Ionen von Anode zu Kathode verschoben wird und diese beiden Elektroden dadurch reduziert und oxidiert werden. Daher auch der Überbegriff Lithium-Ionen-Akku für alle diese Systeme.


    Der ursprüngliche (und auch heute noch gängige) Lithium-Ionen-Akku setzt auf der Kathodenseite LiCoO2 ein und ist sozusagen in den vergangen 20 Jahren DER Lithium-Ionen-Akku gewesen und landläufig versteht man unter einem Lithium-Ionen-Akku auch genau sowas. Um alternative Konstruktionen unterscheiden zu können, werden sie meist nach ihrem Kathodenmaterial benannt, was dann aber selbstverständlich bedeuten würde, dass man diesen Urtyp Lithiumcobaltoxid-Akku nennen müsste.


    Dieser LiCoO2-Akku bietet eine recht gute Zyklenfestigkeit, sehr gute Energiedichte, allerdings nur eine recht begrenzte Leistungsdichte und auch Sicherheit (die berühmten "explodierenden" Handyakkus gehören zu diesem Typ, genauso wie auch die Dinger, die im Boeing Dreamliner gebrannt haben) und außerdem ist Cobalt relativ teuer, daher hat man ähnliche "Verwandte" entwickelt: Basierend auf der gleichen schichtartigen Kristallstruktur ist es möglich, einen Teil des Cobalt durch Nickel oder Mangan zu ersetzt, wobei in gewissen Grenzen viele verschiedene Zusammensetzungen und damit einhergehende Eigenschaften möglich sind. Diese Kathodenmaterialen sind als NMC oder NCM bekannt, oft wird dabei ein Verhältnis von 1:1:1 zwischen Ni, Co und Mn verwendet. Wenn ich mich richtig erinnere gilt vereinfacht sowas wie:
    -Viel Cobalt: Gute Zyklenstabilität, teuer
    -Viel Mangan: Billig, hohe Leistungsdichte, sicherer, niedrige Energiedichte
    -Viel Nickel: Hohe Energiedichte auf Kosten der Sicherheit und Langlebigkeit.


    Eine Zelle, die rein auf Mangan basiert, lässt sich in dieser schichtartigen Kristallstruktur nicht realisieren, sondern bsiert auf einer anderen Kristallstruktur und einer anderen chemischen Zusammensetzung (LiMn2O4, Spinell-Typ), was zu einem deutlich anderen Verlauf der Lade- und Entladekurve führt. Ein ausgeprägtes Plateau macht es dabei beispielsweise schwierig, über eine reine Spannungsmessung den Ladezustand der Zelle zu bestimmen. Der Vorteil dieser Zellen liegt in ihrer hohen Leistungsdichte, allerdings zeigen sie eine etwas geringere Energiedichte und vertragen hohe Temperaturen weniger gut, sind allerdings deutlich sicherer als LiCoO2 und Konsorten. Aufgrund der hohen möglichen Entladeströme und der hohen Sicherheit sind diese Dinger zum Beispiel bei den Nutzern von Elektrozigaretten beliebt und zumindest Mischungen, LiMn2O4 beinhalten, werden in Elektroautos wie dem Nissan Leaf verwendet.


    Lithiumeisenphosphat-Zellen (LiFePO4) sind sehr hochstromfest (also hohe Leistungsdichte), sehr sicher, deutlich robuster gegenüber gelegentlicher Fehlbehandlung als die vorher genannten, und sind nach meinen Erfahrungen auch deutlich zyklenfester, haben allerdings eine deutlich geringere Energiedichte. Das liegt hauptsächlich daran, dass sie auf einem deutlich geringeren Spannungsniveau arbeiten, als die vorher genannten (Nennspannung 3,2 V gegenüber 3,6 V). Auch hier gilt: Sehr flaches Spannungsprofil, also sagt die Zellspannung recht wenig über den aktuellen Ladezustand aus.


    Bei Lithiumtitanat wird das ganze dann komplizierter: Dieses Material ist extrem zyklenfest und kann sehr schnell Lithium aufnehmen und abgeben, hat allerdings gegenüber Lithium (bzw. mit Lithium beladenem Graphit) nur ein Potential von ca. 1,5 V. Das bedeutet, dass eine Graphit-Lithiumtitanat-Zelle nur ca. 1,5 V Nennspannung hätte, was die Energiedichte gegenüber LiFePO4 nochmnals deutlich reduzieren würde. Also verwendet man in diesem Fall das Lithiumtitanat (LTO) als Anodenmaterial, ersetzt also damit den Graphit. Durch Kombination mit prinzipiell jedem der oben genannten Kathodenmaterialien kann man also extrem schnellladefähige Zellen bauen (da gerade beim Laden Graphit der limitierende Faktor ist), die allerdings eben 1,5 V gegenüber den oben genannten Beispielen verlieren. Eine Zelle aus LTO und LiFePO4 wäre also mit deutlich unter 2 V zwar sehr schlecht von der Energiedichte, wäre allerdings wohl extrem langlebig und hätte eine sehr hohe Leistungsdichte. Die Kombination mit LiCoO2 (oder vielleicht auch NMC) ist wohl diejenige, die zur Zeit kommerziell erhältlich ist (wird mit 2,4 V Nennspannung angegeben) und sich sehr schnell laden lässt.


    Für einen Hausspeicher wäre für mich aufgrund der hohen Kosten vor allem die Lebensdauer entscheidend (lieber etwas weniger Kapazität, dafür für viele Jahre Ruhe). Aus dieser recht theoretischen Ansicht heraus, kann ich eigentlich nur sagen, dass für mich(!) momentan nur LiFePO4-Zellen (oder deren Abkömmlinge, LiFeYPO4, wobei das Yttrium u. a. das Verhalten bei niedrigen Temperaturen verbessert) in Frage kämen. Fairerweise muss man allerdings sagen, dass man auch bei LiCoO2 bzw. NMC die Lebensdauer massiv erhöhen kann, wenn man sie nicht ganz voll lädt, da diesen Zellen vor allem das vollladen und vollgeladen sein schadet. Jedes BMS in Elektroautos (und sicherlich auch in PV-Speichern) macht das automatisch, so dass das meine Aussage wieder etwas relativiert. Genau hier zeigt sich leider, dass mir die praktische Erfahrung mit kommerziell erhältlichen Speicherlösungen fehlt.


    So, ich hoffe, ihr verzeiht mir den langen Text und die vermutlich nur begrenzt hilfreichen Informationen, aber mir war so danach :)


    Viele Grüße


    Edit: Mist, den Link von Ulmer hatte ich völlig übersehen. Das ist in der Tat eine gute Übersicht und ich hätte mir doch einige Tipperei sparen können. Naja, doppelt hält besser :)

  • Zitat von Bandluecke

    Hallo,


    auch wenn ich ein neues Mitglied bin (und zudem ohne PV-Anlage), so glaube ich trotzdem, hier etwas beitragen zu können. Ich sage es lieber gleich vorher dazu: Ich habe keinerlei Erfahrung mit Speicherlösungen für den Heimbereich und den damit verbundenen Faktoren (Verschaltung, BMS, Ladesteuerung in Abhängigkeit von der verfügbaren Leistung der PV-Anlage etc.). Meine Kenntnisse beruhen rein auf der Literatur und meinen eigenen Erfahrungen während meiner Forschung an lithiumbasierten Akku-Technologien im Labormaßstab (Kapazität < 10 mAh), und sind daher als Kaufberatung eher schlecht geeignet. Trotzdem denke ich, dass ein wenig Hintergrundwissen nicht schaden kann :)


    Hallo Bandluecke,


    trotzdem danke für deine interessanten Beitrag. Ich finde es gut, wenn jemand mit diesem Erfahrungshintergrund auch in diesem Forum berichtet.


    Mich würde zu diesem Thema zusätzlich die altersbedingte Lebenszeit (unabhängig von der Zyklenbelastung) genauer interessieren, da ich bei den relativen hohen Zyklen eher annehme, dass dieser Faktor eher das Ende der Nutzung bestimmt (vorausgesetzt, dass die entsprechenden Lade- und Endladevorgaben, usw. eingehalten werden) --> kompletter Ausfall einer Zelle.
    War übrigens bei mir auch ein Grund (neben der Erreichung der von mir vorgesehenen Kapazität), dass ich anstelle von 15-16 Zellen 18 Zellen realisiert habe. Bei Ausfall einer Zelle nach z.B. 15 Jahren, kann ich das System mit Verminderung auf 17, 16, 15, 14 oder sogar 13 Zellen dann weiter nutzen.


    Bisher habe ich Angaben bei LiFe(Y)Po4 von ca. 15 Jahren gelesen. Ist dazu vielleicht schon etwas genauers bekannt, oder müssen wir erst die Erfahrung nach Nutzung von über 12 Jahren abwarten?

    PV: 5 kWp Solaredge 6000SE, 2 kWp Steca Tarom 6000-M, 2x Studer XTH 6000, 25kWh LiFeYPO4, SMA-Smartload 6 kW Heizpatrone gesteuert mit Powerdog, KIA Soul EV, Opel Ampera (LEAF2 ab April 2018) mit 2 Ladestationen gesteuert mit Powerdog, Ökofen-Pellets-BHKW

  • Zitat von Bandluecke

    mir war so danach :)


    Viele Grüße


    :danke:


    Kannst dazu vielleicht auch was sagen:


    Zitat von cephalotus


    Im Nissan Leaf stecken Zellen mit Mangan in der Kathode. Nach heutiger Erkentnis ist die Diffusion von Mangan in den Elektrolyten einer der Hauptalterungsprozesse und Zelltypen mit Mangan in der Kathode gelten als solche mit besonders geringer potentieller kalendarischer Lebensdauer.


    Wahrscheinlich wird es Leute geben, die die Zellenwahl von Nissan für einen schweren Fehler halten, aber im Nachhinein ist man halt immer schlauer. Mangan in der Kathode reduziert den Preis, macht die Zellen sicherer und vor allem leistungsfähiger (bei reduzierter Energiedichte), alles im Vergleich zu Cobaltoxid.


    Das Alterungsproblem von Zellen mit Mangan kenne zumindest ich noch nicht so lange.

    LiFePO ist anders.

  • Was seid ihr wieder unhöflich! Hallo Bandluecke und herzlich willkommen im Forum :!:


    Ich habe deinen langen Beitrag gerne gelesen, obwohl ich zugeben muss, dass mir etliche Einzelheiten nicht wirklich klar geworden sind (Chemie war ein Fach, das ich in der Schule nie wirklich begriffen habe). Ein Problem hier im Forum ist (neben den Glaubenskriegen), dass Leute Erfahrungen gesammelt haben, diese aber aufgrund fehlenden Grundlagenwissens nicht richtig einordnen können. Also wird eine (aus dem aktuellen Blickwinkel) logische Ursache-Wirkungs-Beziehung entwickelt und natürlich als Wahrheit weiter verbreitet. Absolut logisch und weit besser, als überhaupt keine Idee über die Zusammenhänge.


    Mit deinem theoretischen Hintergrund hast du die Möglichkeit, hier viel Spreu und Weizen zu trennen. Hiervon können dann alle profitieren, die Energiespeicher in einer PVA für sinnvoll halten (leider noch viel zu wenige!). Wenn du dich bis zum Forumsgenie hoch gearbeitet hast, hast du mit Sicherheit sehr vielen Leuten geholfen und natürlich der grünen Idee insgesamt. Es würde mich freuen, wenn wir hier noch oft aufeinander treffen (als Anfang könntest du dir mal http://wiki.polz.info/doku.php ansehen und aussortieren, was wir da an Unfug verzapft haben :D ).

    Unser Kopf ist rund, damit das Denken die Richtung wechseln kann (Francis Picabia)

  • Zitat von jdhenning

    ...Ein Problem hier im Forum ist (neben den Glaubenskriegen), dass Leute Erfahrungen gesammelt haben, diese aber aufgrund fehlenden Grundlagenwissens nicht richtig einordnen können. Also wird eine (aus dem aktuellen Blickwinkel) logische Ursache-Wirkungs-Beziehung entwickelt und natürlich als Wahrheit weiter verbreitet.


    Ja die übliche Leier halt.
    Und von dir kommt dann nur irgendwas was du auf Seite x y z zusammen gelesen hast.
    Darauf kann ich gut verzichten, also den Großteil deiner Posts hab ich ich letzter Zeit nur noch überscrollt.
    Da steht nix neues drin, na viell. hilft es wenigstens Newbies :roll:


    Ich lese da viel lieber Zeug von Leuten mit Erfahrungen zu dem Thema, auch wenn vll. die Schlußfolgerungen falsch sind als irgendwelches Wischiwaschi.
    Und ich mach eh mein Ding für mich :P
    ganz weit weg von dir ... :juggle:

  • Hallo zusammen und vielen Dank für das freundliche Willkommen in diesem Forum.


    Da ich mich mit den Gepflogenheiten und auch den bisher ausgetragenen Auseinandersetzungen nicht auskenne, wird es mir hoffentlich verziehen, erst einmal neutral zu bleiben, auch wenn hier anscheinend persönliche Konflikte ausgetragen werden.


    Hier also nun der erste Teil meiner Antwort:


    arminst,


    Ich befürchte, dass ich prinzipbedingt dazu nicht viel konkretes beitragen kann. Die Alterung mag zwar unabhängig von der Zahl der absolvierten Zyklen sein, sie hängt aber stark von der "Lebensgeschichte" der Zellen ab. Eine rein zeitabhängige Lebenszeit gibt es hier nicht, ähnlich wie beim Menschen. Das sind alles graduelle Prozesse, die am Ende fatal ausgehen können (rauchen, trinken, ungesunde Ernährung, wenig Bewegung; genauso wie eben "ungesunder" Ladezustand, Lagerzeit, Strombelastung, Temperatur usw.). Manche Menschen werden trotzdem 90 :)


    Die Aussage, dass Lithium-Ionen-Zellen auch unabhängig von den absolvierten Ladezyklen altern und an Kapazität verlieren ist zwar völlig korrekt, allerdings beruht das zumindest zu großen Teilen auf der starken Oxidationswirkung des geladenen, also teilweise delithiierten Kathodenmaterials und der starken Reduktionswirkung des teilweise lithiierten Graphits. Die "Zerstörungskraft" dieser beiden Elektroden hängt genau deshalb stark von ihren Ladezustand ab. Je geladener eine Zelle ist, desto oxidativer wirkt die Kathode und desto reduktiver wirkt die Anode. Über Veränderungen der Kristallstruktur (wie z.B. bei Blei-Akkus bei Lagerung im (teil)-entladenen Zustand bekannt) kann ich mich gerne in den nächsten Tagen nochmal schlau machen, aus meiner momentanen Sichtweise liegt das Alterungsproblem allerdings eher in der Zersetzung des Elektrolyten (Lösungsmittel: organische Carbonate; Leitsalz: LiPF6), was neben einem Kapazitätsverlust auch eine Erhöhung des Innenwiderstands mit sich bringt (und damit einhergehend einen stärkeren Spannungsabfall und damit frühzeitige Abschaltung bei starker Belastung). Diese Alterung hängt nach meinem Verständnis stark vom jeweiligen Ladezustand der Zelle ab. Eine Zelle, die bei 30% Ladezustand für fünf Jahre im Keller gelagert wird (auch unter Berücksichtigung der Selbstentladung ist sie danach vermutlich noch nicht ganz leer) wird sich deutlich besser halten, als eine Zelle, die man voll geladen für 5 Jahre auf dem heißen Dachboden vergisst. Die reale Welt befindet sich vermutlich dazwischen und genau dazu sind mir gerade keine Studien bekannt.


    LiFePO4-Kathoden arbeiten nun auf einem insgesamt niedrigeren Spannungsniveau, so dass der Ladezustand auf Kathodenseite vermutlich eine deutlich geringere Rolle spielt, zumal das Kathodenpotential über weite Strecken ein Plateau darstellt. Dennoch: Lithium-Ionen-Zellen leiden um so stärker, je höher ihr Ladezustand ist. Im typischen Einsatz wird der Ladezustand aber stetig wechseln (dafür hat man sich ja so einen Speicher angeschafft), so dass jegliche Aussage reine Spekulation wäre. Ich kann nur so viel sagen: Eine stinknormale LiCoO2-Zelle aus einem 5 Jahre lang vergessenen Elektrogerät, das ich neulich wiedergefunden habe, ist immer noch OK. Die Zelle war beim unfreiwilligen Einlagern aber halt auch schon fast leer.



    Meine persönlichen Empfehlungen wären:


    -Absichtlich ganz extrem vereinfacht: Die Zelle "erlebt" die "gefährlichen" Spannungen (also komplett geladen bzw. komplett entladen). Je kürzer man eine Zelle diesem Stress aussetzt, um so besser. Komplett vollknüppeln, weil gerade die Sonne scheint, aber auch schnell wieder zum Kuchen backen auf 30-50% leeren dürfte schonender sein, als eine volle Zelle in einen angekündigten Regentag retten zu wollen, um dann mit gespeichertem PV-Strom gegen Abend fern zu sehen. Bitte entschuldige meine etwas plumpen und vermutlich praxisfernen Beispiele, aber ich hoffe, es ist klar, was ich meine :)


    -SOC (State of Charge) um die Mitte herum begrenzen, also 10-90%, 20-80% oder 30-70%, aber das tun die Speicherhersteller vermutlich bereits von sich aus. Wenn man die Wahl hat: 10-80% wäre mir(!) lieber als 20-90. Unter der Voraussetzung, dass das BMS untenrum vernünftig abschaltet/regelt, denn dann tuts vor allem obenrum weh.


    -Möglichst kühler (aber nicht zu kalter) Standort. Zu kalte Lagerung kann beim Laden Schäden verursachen, aber sowas wie 15-20 °C empfände ich als optimal (aus rein chemischer Sicht. Bitte Betriebsanleitung des Herstellers beachten!). Auch wenn sie hier nicht 100%ig passen wird, so hilft in gewissen Grenzen die alte Faustregel des Chemikers: 10 °C Temperaturerhöhung verdoppelt die Reaktionsgeschwindigkeit. Das dürfte SEHR grob angenähert auch für die Alterungsgeschwindigkeit der Zellen gelten. Ich kann dazu leider nur sagen, das wir bei 60 °C innerhalb kurzer Zeit fantastische Alterungserfolge hatten, die dieser Regel durchaus genügten :)
    .
    -Möglichst viele Zellen parallel, möglichst wenige Zellenblöcke in Reihe schalten, je nachdem, was der Eingang des Wechselrichters eben ermöglicht. Zellen sterben vor allem durch Reihenschaltung (Tiefentladung/Überladung bzw. Umpolung durch benachbarte Zellen usw.). In einer Parallelschaltung wären sie zwar auch degradiert, hätten aber das zum Verbund beitragen können, was sie eben noch können, wären aber nicht überladen oder tiefentladen worden (gleiches Potential an allen parallel geschalteten Zellen). Mir ist aber bewusst, dass eine gewisse Spannung erreicht werden muss, was sich eben nur durch Reihenschaltung realisieren lässt. Mein Rat bezieht sich also nur auf Fälle, in denen man die Wahl hat und ist wohl ebenso theoretisch zu sehen, wie alles vorher geschriebene.