Erkundung der Lithium-Ionen-Batterietypen für ESS

Stéphane Melançon, Batterieexperte und Elektro-Enthusiast von Laserax in den USA, sprach über die Eigenschaften verschiedener Lithium-Ionen-Technologien und wie wir sie vergleichen können.

Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) waren nicht immer die erste Wahl. Sie wurden oft übergangen, weil sie viel kosteten. Lange Zeit waren Blei-Säure-Batterien führend auf dem Markt für Energiespeichersysteme (ESS). Sie waren zuverlässiger und kosteten weniger.

Batteriehersteller, Hersteller von Elektroautos und Energiegiganten wie LG Chem und Panasonic haben Milliarden in die Erforschung von Energielösungen gesteckt. Dazu gehören Batterietechnologie und Möglichkeiten zu deren Herstellung. Sie taten dies, um den großen Bedarf an Li-Ionen-Batterien zu decken. Dadurch sind ESS-Li-Ionen-Batterien billiger und größer geworden, sodass sie sich einen größeren Teil eines wachsenden Marktkuchens sichern können.

In diesem Artikel befassen wir uns mit sechs Haupttypen von Li-Ionen-Batterien. Wir werden ihr Potenzial in ESS untersuchen, was eine gute Batterie für ESS ausmacht und welche Rolle andere Energiequellen spielen.

1. Ein tiefer Einblick in die Lithium-Ionen-Batterietypen

1.1 Lithiumeisenphosphat (LFP)

LFP-Batterien sind die Platzhirsche in der ESS-Welt. Sie sind eine sauberere Option, da LFP Eisen verwendet. Im Vergleich zu Kobalt und Nickel ist Eisen eine umweltfreundlichere Wahl. Außerdem ist Eisen günstiger und leichter zu finden, was die Kosten senkt. Auch ihre Herstellung kostet weniger.

Tesla-Chef Elon Musk geht davon aus, dass alle fest installierten Speichergeräte auf LFP-Batteriechemie umgestellt werden.

LFPs bieten für ihre Größe nicht so viel Leistung. Im Gegensatz zu Elektroautos ist dies für ESS jedoch kein großes Problem, da sich ESS weiter ausbreiten kann. Natürlich wiegen LFP-Batterien mehr, aber das ist nur ein Installationsproblem. Außerdem sind sie sicherer, das Risiko einer Überhitzung ist geringer und die Lebensdauer beträgt 2.000 bis 5.000 Zyklen. MANLY Battery ist professionellBatterielieferantund bieten eine höhere Leistung und einen sichereren LiFePO4 Akku. Erleben Sie die Langlebigkeit unserer Batterien mit 8.000 Zyklen und einer jahrzehntelangen Garantie.

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1.2 Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (NMC)

NMC-Batterien sind aus guten Gründen ein Favorit für Lithium-Ionen-Akkus. Sie sind leistungsstark und vor Überhitzung sicherer.

Allerdings halten sie nicht so lange wie LFPs, normalerweise zwischen 1.000 und 2.000 Zyklen.

Sie benötigen außerdem Kobalt und Nickel. Diese sind teurer und nicht so umweltfreundlich. Es besteht die Sorge, dass diese Mineralien knapp werden, was die Kosten in die Höhe treiben und das Angebot einschränken könnte.

1.3 Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA)

NCA-Batterien ähneln NMCs, weisen jedoch wichtige Besonderheiten auf. Sie speichern für ihre Größe mehr Energie, können aber leichter überhitzen. Wie NMCs halten sie etwa 1.000 bis 2.000 Zyklen und benötigen Kobalt und Nickel.

1.4 Lithium-Mangan-Oxid (LMO)

LMOs verloren schnell ihre Coolness. Sie ähneln LFPs, halten aber nicht so lange, normalerweise nur 500–800 Zyklen.

Ihre Herstellung kostet etwas weniger als LFPs, aber ihre kürzere Lebensdauer treibt die langfristigen Kosten in die Höhe.

LMOs laden sich schnell auf, haben eine solide Leistung und funktionieren auch bei Hitze gut. Meistens handelt es sich dabei um tragbare Werkzeuge, medizinische Geräte und einige Elektroautos.

1,5 Lithiumkobaltoxid (LCO)

LCOs gehören zu den ersten Lithium-Ionen-Typen. Sie kommen häufig bei Laptops und Telefonen mit geringem Strombedarf vor. Sie eignen sich hervorragend für leichte Setups, die nicht viel Strom benötigen, da sie den Energiefluss für eine Weile aufrechterhalten.

Allerdings haben LCOs eine kurze Lebensdauer, normalerweise 500 bis 1.000 Zyklen, und können Hitze nicht vertragen. Deshalb sind sie für ESS ein No-Go.

1.6 Lithiumtitanat (LTO)

LTOs sind mit bis zu 10.000 Zyklen die Langlebigeren und verschmutzen die Umwelt weniger als die meisten anderen Batterien. Sie entsaften schnell, aber das ist für ESS vielleicht kein Muss.

Für ihre Größe speichern sie nicht viel Energie, was sie teuer macht. Während andere Batterien beispielsweise 120 bis 500 Wattstunden pro Kilo speichern, sind es bei LTOs etwa 50 bis 80.

2. Schlüsselfaktoren zur Maximierung der ESS-Batterieleistung

2.1 Hohe Zyklenzahl:

Verschiedene Akkus haben eine unterschiedliche Lebensdauer, je nachdem, wie viele Lade- und Entladezyklen sie durchlaufen können, bevor sie einen erheblichen Leistungsverlust zeigen. Moderne Elektrofahrzeugbatterien halten länger. Typische Batteriegarantien von Autoherstellern betragen etwa acht Jahre oder 100.000 Meilen, hängen jedoch weitgehend von der Art der für die Lagerung verwendeten Batterie ab.

Energiespeichersysteme benötigen eine hohe Zyklenlebensdauer, da sie kontinuierlich laden und entladen. Die Batteriekapazität nimmt mit jedem Lade- und Entladezyklus ab. Wenn ein Lithium-Ionen-Akku nur noch 70 bis 80 % seiner Kapazität behalten kann, ist seine Lebensdauer erreicht. Die besten Lithium-Ionen-Batterien können bis zu 10.000 Zyklen halten, während die Modelle der unteren Preisklasse etwa 500 Zyklen halten.

2.2 Spitzenleistung:

Energiespeichersysteme müssen einen Anstieg des Strombedarfs bewältigen, da sie zur Deckung des Energiebedarfs in Spitzenzeiten des Netzbedarfs eingesetzt werden.

Der Energiebedarf ist nicht konstant, aber ESS kann die Ladezeiten auf einen Zeitpunkt verschieben, an dem die Energie günstiger oder besser verfügbar ist. Durch die Speicherung von Energie in Zeiten geringer Nachfrage und deren Freigabe bei Bedarf können die Kosten erheblich gesenkt werden.

2.3 Niedrige Produktionskosten:

Energiespeichersysteme benötigen viele Batterien, um den Energiebedarf zu decken. Beispielsweise wird die pro Stunde verbrauchte Energiemenge in Megawattstunden (MWh) gemessen. Bei Elektrofahrzeugbatterien erfolgt die Angabe in Kilowattstunden (kWh). Das ist ein 1.000-facher Unterschied!

Angesichts der schieren Anzahl an Batterien, die für ESS benötigt werden, ist eine teurere Batterietechnologie wirtschaftlich nicht rentabel.

3. Lösung des Problems des thermischen Durchgehens in Batterien

Das thermische Durchgehen bleibt ein dringendes Problem. Wenn Lithium-Ionen-Batterien einen unkontrollierten Selbsterhitzungszustand erreichen, kann es zu Bränden, Rauch und dem Ausstoß von Gasen, Partikeln und Granatsplittern kommen.

Verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien zeigen bei unterschiedlichen Temperaturen ein thermisches Durchgehen. Beispielsweise sind NCA, NMC und LCO Arten von Lithium-Ionen-Batterien, bei denen bei niedrigeren Temperaturen das Risiko eines thermischen Durchgehens besteht. LFP-Batterien sind am sichersten.

4. Warum ESS wegen der Abmessungen und dem Gewicht der Batterie nicht ins Schwitzen kommt

Im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen, bei denen Gewicht und Größe sorgfältig gesteuert werden müssen, sind diese Faktoren beim Betrieb von Energiespeichersystemen (ESS) nicht von entscheidender Bedeutung. Dies liegt daran, dass diese Geräte typischerweise in Containern oder Lagereinheiten untergebracht sind.

Die Landkosten für die Installation von ESS sind in der Regel minimal, sodass die Batteriegröße einen untergeordneten Faktor bei den Gesamtkosten darstellt. Das Gewicht ist kein Problem, da es keinen Einfluss auf die Batterieleistung hat, wie es bei Elektrofahrzeugen der Fall ist.

5. ESS- und LFP-Batterien: Entscheidend für die Zukunft alternativer Energien

Der Strombedarf steigt rasant. Tatsächlich prognostiziert McKinsey, dass sich der weltweite Stromverbrauch bis 2050 verdoppeln wird. Alles, was wir verbrauchen, erfordert Strom, und Elektrofahrzeuge belasten das Stromnetz zusätzlich.

Traditionelle Energieformen wie Kernkraft, Wasserkraft und Kohle reichen nicht aus, um den steigenden Bedarf zu decken. Viele Länder stehen vor erheblichen regulatorischen Hürden und baulichen Einschränkungen. Selbst wenn diese beseitigt werden können, könnte der Aufbau der Infrastruktur ein Jahrzehnt oder länger dauern.

Alternative Energiequellen wie Wind- und Solarenergie mit einfacheren Anforderungen und wachsender öffentlicher Unterstützung können in der Regel schneller aufgebaut werden. Die Internationale Energieagentur (IEA) unterstreicht den Aufschwung bei sauberer Energie und geht von einer Kapazitätssteigerung um ein Drittel zwischen 2022 und 2023 aus.

Obwohl alternative Energien eine entscheidende Rolle in unserer Zukunft spielen könnten, sind sie wetterabhängig. Sie können nicht konstant Strom erzeugen, weshalb ESS erforderlich sind, um Energie zu speichern, Spitzenbedarfszyklen zu decken und Strom bei widrigen Wetterbedingungen zu liefern.

Energiespeichersysteme können auch Leistungsspitzen abflachen und so die Kraftwerkseffizienz steigern. Sie tragen zu einer gleichmäßigeren und stabileren Stromversorgung bei und verlängern die Lebensdauer von Kraftwerken.

All dies deutet darauf hin, dass Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) eine vielversprechende Wahl für die Zukunft sind. LFP bietet einen langen Lebenszyklus, niedrige Produktionskosten und ein minimales Risiko eines thermischen Durchgehens, was sie ideal für ESS-Anforderungen macht.

Kürzlich sind LMFP-Batterien auf den Markt gekommen, eine LFP-Variante mit Mangan als Kathodenkomponente, die in Elektrofahrzeugen eine starke Leistung zeigen. Angesichts ihrer Produktionskosten könnte diese neue Batteriechemie eine wettbewerbsfähige Lösung für Energiespeichersysteme sein.