Welche Chemie eignet sich am besten für die Elektrifizierung Ihres Fahrzeugs?
Lassen Sie uns die verschiedenen Arten von Batterien entdecken
Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit LCO-Chemie:
Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO 2 )
Lithiumbatterien mit LCO-Chemie sind die am wenigsten neueren, hauptsächlich verwendeten elektronische Geräte und mobile Anwendungen, und bestehen aus einer Kobaltoxid-Kathode (positive Elektrode) und einer Graphit-Kohlenstoff-Anode (negative Elektrode).
Der Vorteil dieser Chemie ist, dass sie eine hohe spezifische Energie hat und perfekt für mittelkleine Batterien ist, die eine gute Leistung erbringen können, sodass sie sehr schnell geladen werden können.
LCO-Batterien werden tatsächlich am häufigsten für Smartphones, Digitalkameras und tragbare Laptops verwendet.
Andererseits beschränkt sich ihr Einsatz aufgrund ihrer Größe hauptsächlich auf nicht allzu große Anwendungen Sicherheitsbeschränkungen. Außerdem weisen sie einen eher geringen Entladestrom auf, was bei hoher Belastung zu einer schnellen Überhitzung führen kann.
Außerdem enthalten sie einen hohen Anteil an Kobalt, einem teuren, schwer zu findenden und mit großen ethischen Problemen bei der Gewinnung verbundenen Element, weshalb inzwischen immer mehr Hersteller versuchen, darauf zu verzichten oder seinen Einsatz so weit wie möglich einzuschränken .
Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit LMO-Chemie:
Lithium-Mangan-Oxid (LiMn 2 O 4 )
Lithiumbatterien mit LMO-Chemie sehr ähnlich zu denen, die verwenden LCO-Technologie. Sie werden häufig in kleinen Geräten wie Elektrowerkzeugen verwendet.
Das Hauptmerkmal von LMO-Batterien ist ihre Fähigkeit, in kurzer Zeit viel Energie bereitzustellen. LMN-Batterien bestehen aus einer Manganoxidkathode und einer Graphitanode.
Sie werden häufig für Elektrofahrräder, im Gartenbau, bei medizinischen Geräten und Elektrowerkzeugen wie Bohrmaschinen und Schraubendrehern verwendet.
LMO-Batterien haben eine höhere thermische Stabilität als Batterien mit LCO-Chemie, sind aber durch ihre Kapazität begrenzt, die geringer ist als bei kobaltbasierten Systemen.
Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit LFP-Chemie:
Lithium – Eisen – Phosphat (LiFePO4)
Die LFP-Chemie entspricht am besten den spezifischen Anforderungen des Industriesektors, wo keine übermäßige spezifische Energie benötigt wird, aber sehr hohe Sicherheit und lange Lebenszyklen erforderlich sind. Wir sprechen also von einer sehr weiten Welt, die von Automatisierung, Robotik, Logistik, Bauwesen, Landwirtschaft, Bootfahren, Elektrofahrzeugen bis hin zu Flughafenfahrzeugen, Hubplattformen und Spezialfahrzeugen reicht Tatsächlich sind Batterien mit LFP-Chemie die sichersten und stabilsten auf dem heutigen Markt und in Formaten mit großer Kapazität erhältlich, wie sie von industriellen Systemen gefordert werden. ohne dass viele verbunden werden müssen kleine Zellen parallel, was ihre Stabilität verringern und die gefährden würde Sicherheit des Fahrzeugs. Die Lebenszyklen in einer Batterie mit LFP-Chemie übersteigen heute 3,500 Zyklen und, wenn sie mit einem guten BMS-System ausgestattet sind, leicht übersteigen können 4,000, und in Zukunft sogar mehr als 6,000 Zyklen darf erwartet werden.Aber wir müssen aufpassen, wenn wir von „Lebenszyklen“ sprechen, dürfen wir nicht denken, dass eine Batterie nach 3,500 Zyklen vollständig erschöpft ist. In der Tat, Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass das Ende der Lebensdauer einer Batterie in einem Fahrzeug immer als 80 % verbleibende Kapazität angesehen wird, aber es gibt noch viele Möglichkeiten für den Einsatz in anderen Bereichen, wie z. B. der Energiespeicherung. Ein weiterer Vorteil der LFP-Chemie ist neben der inhärenten Sicherheit und hohen Lebensdauer die flache Entladekurve. Im Bild unten tendiert die Kurve zum Ansteigen. Dies ist die sogenannte Ladekurve, während sich die abfallenden Kurven auf die Batteriespannung beim Entladen beziehen. Der Spannungsbereich von 100 % bis 0 % ist daher sehr ähnlich, und dies ist eine grundlegende Tatsache, da Maschinen und Industriefahrzeuge die gleiche Leistung vom Beginn bis zum Ende der Entladung garantieren können.
Entladekurve der Lithium-LFP-Chemie
Andererseits kann sich dieser Vorteil auch in einen Nachteil verwandeln, da das Ablesen nur der Spannungen aufgrund der flachen Kurve die Bestimmung einer korrekten erschwert SOC (Ladezustand).
Um diese Einschränkung zu umgehen, ist die BMS Das Batteriemanagementsystem muss intelligent konzipiert sein, um den korrekten Ladezustand bereitzustellen und die Ausgleichsfunktionen bestmöglich auszuführen.
Einer der vielen Vorteile dieser Chemie ist das völlige Fehlen von Kobalt, einem Material, das, wie wir bereits erwähnt haben, giftig und eines der umweltschädlichsten ist.
Viele Hersteller von Lithiumbatterien versuchen derzeit, den Kobaltanteil in ihren Batterien zu reduzieren, sodass die kobaltfreie LFP-Chemie mit einem großen Vorteil beginnt.
Obwohl erst vor wenigen Jahren LFP-Batterien schienen dazu bestimmt gewesen zu sein, vergessen zu werden, da ihre Energiedichte sehr gering war, bei etwa 100 Wh/kg, heute diese Technologie
ist buchstäblich aus der Asche wieder aufgetaucht, mit einer sehr deutlichen Steigerung der Energiedichte, erreicht 170 Wh/kg in kurzer Zeit, was auf großes Interesse in der Automobilwelt stößt.
Weitere Steigerungen der gravimetrischen Dichte auf 220/230 Wh/Kg werden bereits in den kommenden Jahren erwartet. Genau aus diesem Grund haben sich viele Autohersteller für die Wiedereinführung der LFP-Chemie für die Elektrifizierung ihrer Fahrzeuge entschieden, allen voran Tesla, das sie derzeit einsetzt im „Standardsortiment“
Fahrzeuge, da es ein höheres Maß an Sicherheit zu etwas geringeren Kosten als die garantiert NMC-Chemie für Hochleistungsfahrzeuge verwendet. Wie TeslaAuch BYD, Volkswagen und viele andere große Automobilhersteller sehen inzwischen großes Potenzial in der LFP-Chemie.
Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit NMC-Chemie:
Nickel – Mangan – Kobalt (LiNixMnyCozO2)
Bis heute sind Batterien mit NMC-Chemie die am häufigsten verwendeten im Automobilbereich.
Mit dieser Chemie wird eine sehr hohe spezifische Energie von bis zu 220 – 240 Wh/kg Kann erreicht werden. Dies ist für ein Auto eindeutig ein entscheidender Wettbewerbsvorteil, da es die Speicherung einer großen Energiemenge bei geringem Gewicht und Volumen ermöglicht,
Dadurch kann mehr Energie im Fahrzeug installiert werden als bei anderen Lithium-basierten Technologien.
Es gibt verschiedene Arten von NMC-Chemie:
NMC111 (Nickel 33.3 % – Mangan 33.3 % – Kobalt 33.3 %)
NMC622 (Nickel 60 % – Mangan 20 % – Kobalt 20 %)
NMC811 (Nickel 80 % – Mangan 10 % – Kobalt 10 %)
Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit NCA-Chemie:
Nickel – Kobalt – Aluminium (LiNiCoAIO2)
Neben NMC-Batterien werden im Automobilbereich auch Batterien mit NCA-Chemie eingesetzt. Ihre Sicherheitsbewertung ist etwas niedriger als die von NMCs, aber gleichzeitig haben sie eine sehr hohe Energiedichte, die 250-300 Wh/kg erreicht. Der NCA Die Zellstruktur ist der des NMC 811 sehr ähnlich, mit einem hohen Nickelgehalt und einem niedrigen Kobalt- und Aluminiumgehalt. Aufgrund ihrer hohen Energiespeicherkapazität werden NCA-Lithiumbatterien häufig in Mischungen mit NMC-Chemikalien verwendet, um einen Kompromiss zwischen Energiedichte, Sicherheit und Stabilität zu erreichen.
Zusammensetzung und Eigenschaften von Lithiumbatterien mit LTO-Chemie
Lithiumtitanat (Li4Ti5O12)
Es ist eine Chemie, die noch wenig erwähnt wird, aber sie scheint in Bezug auf die Lebenszyklen sehr vielversprechend zu sein, da sie aufgrund ihrer niedrigen internen Spannungen und des Mangels an mechanischer Belastung nur sehr wenig abgebaut wird und leicht 15,000 bis 20,000 Zyklen erreicht. Ein besonderer Vorteil, es könnte für die Elektrifizierung von Autos und Fahrzeugen verwendet werden, die sehr stark beansprucht werden, aber derzeit bringt es noch einige Probleme mit sich, die seine Verwendung und Verbreitung einschränken.
Seine Schwachpunkte sind 2:
Die geringe Energiedichte (177 Wh/l) und gravimetrische Dichte (60-70 Wh/Kg) sowie eine niedrigere Nennspannung von 2.4 V oder 2.8 V: Das bedeutet, dass mehr Zellen in Reihe geschaltet werden müssen, um die gewünschte Batteriespannung zu erreichen .
Seine derzeit sehr hohen Kosten spiegeln sich in einer geringen Anzahl globaler Hersteller von LTO-Zellen wider, was wahrscheinlich auf die derzeit geringen vom Markt nachgefragten Stückzahlen zurückzuführen ist
Zu den Vorteilen zählen dagegen neben der langen Lebensdauer auch der weite Temperaturbereich sowie die hervorragende Hochstrom-Lade- und Entladefähigkeit, dh hohe C-Rate (Verhältnis Strom zu Nennkapazität).
Der ideale Einsatzort der LTO-Technologie sind Schwerlastanwendungen wie AGVs (Automated Guided Vehicles): Stellen Sie sich Flotten von selbstfahrenden Gabelstaplern vor, die rund um die Uhr im Einsatz sind und auch die Schnellladung nutzen, um Ausfallzeiten zu reduzieren und somit die Anlageneffizienz zu steigern.
Von der Theorie zur Praxis: Für jede Anwendung die richtige Lithiumchemie
Wir haben die 6 Haupttypen der Lithium-basierten Chemie skizziert, die derzeit in den verschiedenen Elektrifizierungsbereichen am weitesten verbreitet sind. Aber wir dürfen nicht denken, dass diese Chemien miteinander konkurrieren, ganz im Gegenteil! Sie alle sind wertvoll und leistungsstark, aber jede Lithiumchemikalie funktioniert am besten in verschiedenen Anwendungsbereichen.
Dieses Diagramm zeigt einen Vergleich der verschiedenen Eigenschaften der Chemien in Bezug auf:
● Spezifische Energie oder gravimetrische Dichte [Wh/Kg]: ist das Verhältnis der enthaltenen Energiemenge (Wh = V x Ah) zum Gewicht der Batterie.
● Sicherheit: Steht in engem Zusammenhang mit der thermischen Stabilität, da die Eigensicherheit sehr stark von der thermischen Stabilität der Komponenten abhängt
● C-Rate: Lade-/Entladerate, dh das Verhältnis zwischen dem Lade- oder Entladestrom (A) und der Nennkapazität der Zelle (Ah). Dies ist ein Parameter, der eng mit der Fähigkeit der Zelle verbunden ist, Strom zu erzeugen.
● Lebensdauer: Wie oft die Zelle entladen und geladen werden kann, bis das Ende der Lebensdauer erreicht ist, normalerweise betrachtet, wenn 80 % Restkapazität erreicht sind.
● Kosten
LFP- und LTO-Batterien für den Industriebereich
In der Industrie, der Landwirtschaft oder auch bei der Elektrifizierung von Sonderfahrzeugen, gerade wenn es um hochzyklische Anwendungen geht, die die Batterie belasten, greift man besser auf Chemien wie LFP und LTO zurück, wo es auf Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit ankommt wichtigsten Anforderungen.
In der industriellen Welt ist daher die Platzfrage weniger ein Zwang, ebenso wie es nicht zwingend auf eine überhöhte Leistungs- oder Energiedichte ankommt. Bei der Bewertung der Wahl der richtigen Chemie kommt daher der wichtigere Faktor Sicherheit ins Spiel, ein Aspekt, bei dem die wenigsten Kompromisse eingehen wollen und können.
Besser ist ein Akku, der etwas voluminöser ist, dafür aber optimale Sicherheit bietet und eine deutlich längere Lebensdauer hat. Es gibt Fahrzeuge wie LGVs und AGVs, die intensiv genutzt werden müssen und ununterbrochen rund um die Uhr arbeiten, sodass ihre Batterien sogar 3 oder 4 Ladezyklen an einem einzigen Tag durchlaufen. Die LFP-Chemie wird sie daher mit ihren mehr als 4,000 Ladezyklen problemlos unterstützen. Wenn Batterien für die stationäre Speicherung notwendig sind, würde die Energiedichte fast nichts bedeuten, und im Gegenteil, Batteriekosten und Lebenszyklen wären die Elemente hinter der Wahl der Chemie. Die LFP-Chemie würde dann ihren Platz finden.