Verwendung spezieller Ladegeräte für die optimale Nutzung von Lithiumeisenphosphat-Batterien

In Lithiumeisenphosphat-Zellen (LiFePO₄) wird LiFePO₄ als Kathode der Batterie verwendet, wobei ein metallisiertes Graphit-Kohlenstoffmaterial als Elektrode dient. Sie wurden erstmals 1996 von Forschern der University of Texas beschrieben und sind keine neue Technologie. Die Elektrochemie stößt jedoch auf großes Interesse, da sie einige Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion) bietet. Zu diesen Vorteilen zählen die geringeren Kosten, die Ungiftigkeit, die breite Verfügbarkeit von Eisen und die ausgezeichnete thermische Stabilität. Im Gegensatz dazu sind Nickel und Kobalt, die in Lithium-Ionen-Zellen verwendet werden, schwer zu beschaffen, teuer und umweltschädlicher.

Außerdem kann LiFePO₄ viel mehr Ladezyklen durchlaufen als entsprechende Li-Ionen-Zellen. Je nach Nutzung des Akkus sind zwischen 1000 und 10.000 Zyklen möglich. Außerdem kann eine standardmäßige LiFePO₄-Zelle eine Entladekapazität (oder „Entladetiefe“) von mindestens 80 Prozent für mindestens 2000 Zyklen bieten. Die äquivalente Charakteristik einer typischen Li-Ionen-Zelle beträgt 300 bis 500 Zyklen.

Weitere Merkmale von LiFePO₄-Akkus sind Toleranz gegen schnelles Laden, ein niedriger Innenwiderstand, der hohe Entladeströme ermöglicht, und eine bemerkenswert stabile Versorgungsspannung. Sie funktionieren auch bei hohen Temperaturen gut.

Ein Beispiel für einen LiFePO4-Akku ist der PSL-FP-IFP2770180EC, ein 3,2-Volt-Akku mit 25 Amperestunden (Ah) von Power Sonic Corporation (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein LiFePO4-Akku ist preiswerter und bietet mehr Ladezyklen als ein Li-Ionen-Äquivalent. (Bildquelle: Power Sonic Corporation)

Es gibt jedoch einige Nachteile, die bis vor kurzem verhindert haben, dass sich LiFePO₄-Akkus auf dem Markt durchsetzen konnten. Dazu gehören eine um 15 bis 25 Prozent geringere Energiedichte als bei Li-Ionen-Akkus und eine niedrigere Ausgangsspannung von 3,2 Volt im Vergleich zu 3,7 Volt bei Li-Ionen-Akkus. Außerdem funktionieren LiFePO₄-Akkus bei niedrigen Temperaturen nicht gut und erfordern im Allgemeinen mehr Pflege und Schutz als ihre robusteren Gegenstücke, die Li-Ionen-Zellen.

Verbesserungen der Energiedichte von LiFePO₄-Zellen

Jüngste Verbesserungen der Energiedichte haben dazu geführt, dass LiFePO₄-Akkus für ein breiteres Spektrum von Geräten einsetzbar sind. Es ist zwar unwahrscheinlich, dass sie Lithium-Ionen-Zellen in Produkten wie Mobiltelefonen oder tragbaren Computern ersetzen können, aber für Anwendungen, die mehr Platz benötigen und/oder bei denen niedrige Kosten und eine leichtere Wiederverwertbarkeit wichtig sind, könnten sie eine gute Option sein. Beispiele sind Elektrofahrräder (E-Bikes) und einige Modelle von Elektrofahrzeugen (EVs). So kündigte Tesla bereits Ende 2021 an, bei seinen Einstiegsfahrzeugen auf LiFePO₄-Akkus umzusteigen. Die Akkus des Unternehmens bieten rund 260 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg), was mit den besten Li-Ionen-Zellen vergleichbar ist.

Abbildung 2: Das Tesla Model 3 nutzt jetzt die Vorteile von LiFePO4-Akkus. (Bildquelle: Tesla)

Entwickler ziehen LiFePO₄-Akkus zunehmend für Anwendungen in Betracht, bei denen die niedrigen Kosten, die lange Lebensdauer und die unschädlichen elektrischen Eigenschaften wichtiger sind als eine hohe Energiedichte. Beispiele hierfür sind funkgesteuerte Geräte, tragbare motorbetriebene Produkte und vor allem Sensoren für das industrielle Internet der Dinge (IIoT).

Da nur eine ausgewählte Gruppe von Ingenieuren an der Entwicklung exotischer Produkte wie z. B. Elektroautos beteiligt ist, findet man LiFePO₄-Stromquellen immer häufiger in diesen eher bescheidenen Anwendungen.

Mit Vorsichtig zu handhaben

Li-Ionen- und LiFePO₄-Zellen haben einige Gemeinsamkeiten. Die Energie stammt zum Beispiel aus der Bewegung von Lithium-Ionen, die Elektronen freisetzen, um einen elektrischen Strom für ein Gerät zu erzeugen. Ein wichtiger Unterschied besteht jedoch darin, wie die Akkus aufgeladen werden. LiFePO₄-Akkus haben andere elektrische Eigenschaften als Li-Ionen-Batterien, wodurch sich das Ladeprofil ändert. Die Unterschiede sind subtil, aber es ist wichtig sie zu verstehen, um das maximale Potenzial von LiFePO₄ auszuschöpfen.

Die Abbildungen 3 und 4, mit freundlicher Genehmigung von Texas Instruments, zeigen den Unterschied zwischen einem typischen Li-Ionen- und LiFePO₄-Ladeprofil. Der Ladealgorithmus für LiFePO₄-Zellen (Abbildung 4) erfordert nicht die für den Ladezyklus von Lithium-Ionen-Batterien typische konstante Spannung (CV) (Abbildung 3). Stattdessen wird der Akku mit einem konstanten Schnellladestrom (CC) schnell auf eine Überladespannung geladen und dann auf eine niedrigere Erhaltungsladespannung „entspannt“. Durch den Wegfall der CV-Steuerung wird die Ladezeit erheblich verkürzt. Während des Ladezyklus überwacht ein interner Regelkreis in der Regel die Sperrschichttemperatur des Energiemanagement-ICs (PMIC) und reduziert den Ladestrom, wenn dessen Temperaturschwelle überschritten wird.

Abbildung 3: Das Laden von Lithium-Ionen-Batterien erfolgt in drei verschiedenen Phasen. Zunächst wird der Akku mit einem bescheidenen konstanten Strom vorgeladen, gefolgt von einer höheren konstanten Ladung, um schnell Energie zuzuführen. Wenn die Ladespannung mit der Akkuausgangsspannung übereinstimmt, schaltet das Profil auf eine konstante Spannung um, um die Batterie sanft bis zur Kapazität zu füllen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Abbildung 4: Das Laden von LiFePO4-Akkus unterscheidet sich von dem der Li-Ionen-Akkus. Nach der Vorladung wird die Batterie mit einem konstanten Strom bis zur vollen Kapazität geladen. Die Spannung kann sich dann zunächst „entspannen“ und wird dann durch eine kleine Nachladung erhalten. Im Vergleich zum Li-Ionen-Zyklus werden LiFePO4-Akkus schneller geladen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Ein weiterer Unterschied zwischen den Ladeprofilen ist die niedrigere maximale Ladespannung für die LiFePO₄-Zelle aufgrund der unterschiedlichen Batteriechemie. Die maximale Ladespannung für den LiFePO₄-Akku ist auf eine Überspannung von 3,6 Volt begrenzt, bevor sie wieder auf 3,5 Volt abfällt, während sie für den Li-Ionen-Akku auf 4,1 oder 4,2 Volt begrenzt ist.

Kompakte Ladegeräte für LiFePO₄-Zellen

Die zunehmende Verwendung von LiFePO₄ hat Chip-Hersteller dazu veranlasst, monolithische ICs einzuführen, die die Zellen mit einem optimierten Profil laden. Diese ermöglichen die Integration der Technologie, ohne dass eine Stromversorgungsschaltung von Grund auf neu entwickelt werden muss.

Ein Beispiel ist der LiFePO4-PMIC _BQ25070DQCR von Texas Instruments. Der Baustein ist in einem 2 x 3 Millimeter (mm) großen Gehäuse untergebracht und liefert eine Überladespannung von 3,7 Volt und eine Erhaltungsspannung von 3,5 Volt bei bis zu 1,2 A.

Ein zweites Beispiel ist der MCP73123T-22SI/MF von Microchip Technology. Die Komponente arbeitet mit einer Eingangsspannung von 4 bis 16 Volt und bietet einen maximalen Strom von 1,1 A. Der CC-Wert für die Schnellladung wird mit einem externen Widerstand zwischen 130 Milliampere (mA) und dem oberen Grenzwert eingestellt, je nach dem zu ladenden Akku. Der MCP73123/223 begrenzt außerdem den Ladestrom in Abhängigkeit von der Chiptemperatur bei hoher Leistung oder hoher Umgebungstemperatur (Abbildung 5).

Abbildung 5: Schaltplan des LiFePO4-PMIC von Microchip Technology. Der an den PROG-Pin angeschlossene Widerstand legt den maximalen Ladestrom fest. (Bildquelle: Microchip Technology)

Eine dritte Lösung kommt von Analog Devices. Der PMIC MAX77787JEWX+ arbeitet mit einer Eingangsspannung von 4,5 bis 13,4 Volt und bietet einen maximalen Ladestrom von 3,15 A. Der Schnellladestrom und die Abschlussspannung werden mit externen Widerständen konfiguriert. Die 2,75 x 2,75 mm große Komponente unterstützt sowohl LiFePO₄- als auch Li-Ionen-Ladevorgänge.

Fazit

Obwohl LiFePO₄-Akkus in Bezug auf Energiedichte und Versorgungsspannung Nachteile gegenüber Li-Ionen-Zellen aufweisen, bieten sie eine höhere Anzahl an Ladezyklen und schnelleres Laden. Darüber hinaus eignen sie sich für viele kostensensitive Anwendungen, darunter EVs und IIoT-Sensoren. Speziell entwickelte monolithische Ladegeräte erleichtern die Nutzung der Batteriechemie durch optimierte Ladeprofile, die eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit gewährleisten.