Warum sind LFP-Zellen so attraktiv?

Lithiumeisenphosphat-Zellen fristeten im Fahrzeugbereich lange ein Schattendasein. Doch gerade findet ein Umdenken statt. Woran das liegt und warum sich LFP-Zellen mehr und mehr etablieren. 

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In Batteriezellen können verschiedene Materialien zum Einsatz kommen. Lithium-Ionen-Batteriezellen, die auf Nickel, Mangan und Kobalt (NMC) basieren, stellen derzeit die am häufigste verwendete Zellchemie dar. Doch auch die alternative Zellchemie aus Lithium, Eisen und Phosphat, also Lithiumeisenphosphat (LFP), rückt in den Vordergrund. Und bald schon könnten sich auch LMFP-Akkumulatoren etablieren, bei denen traditionelles LFP mit einem Zusatz von Mangan verwendet wird. Was steckt hinter dem Trend zu LFP-Zellen?

Die LFP-Zelle gehört zu den Lithium-Ionen-Zellen. Jedoch wird als Kathode Lithium-Eisenphosphat eingesetzt, was zu Folge hat, dass LFP-Zellen in Sachen Reichweite und Ladeleistung mit NMC-Batterien nicht mithalten können. Daher wurden sie "lange Zeit für die Nutzung im Fahrzeugbereich nicht weiterverfolgt, weil das System im Vergleich zu den anderen Li-Ionen-Chemien eine geringere Energiekapazität aufweist", erklärt Richard Backhaus im ATZ-Artikel Zellentwicklungen für die Batterien künftiger Elektrofahrzeuge. Nach Angaben des RWTH-Lehrstuhls PEM würden heutige LFP-Zellen bei einer Energiedichte von etwa 200 Wh/kg liegen, so Backhaus. Das seien rund 20 % weniger als vergleichbare Li-Ionen-Zellen. 

Hohe Sicherheit und geringe Kosten

Doch dieser Nachteil wird insbesondere durch zwei Vorteile ausgeglichen: hohe Sicherheit und geringe Kosten. So schreibt Backhaus: "Erst die Lieferprobleme und die Kostensteigerungen bei den Li-Ionen-Rohstoffen führten zu einem Umdenken, denn die Materialen für LFP-Zellen sind weltweit problemlos verfügbar". So verzichten LFP-basierte Batterien auf die kritischen Rohstoffe Nickel, Mangan und Kobalt und unterliegen damit nicht den hohen Preisschwankungen bei Kobalt und Nickel. LFP-basierte Batterien sind in der Herstellung in der Regel um circa 20 % günstiger als Lithium-Ionen-Akkus mit derselben Energiekapazität.

Auch beim Thema Sicherheit können LFP-Zellen punkten. Sie sind "sehr sicher […], weil sie nicht brennen und zugleich eine lange Lebensspanne von über 2000 Zyklen besitzen. Aus diesem Grund eignen sich diese Batterien insbesondere für bidirektionales Laden", so Ursel Willrett von IAV im MTZ-Interview "Es ist aus Kostengründen nicht sinnvoll, die Netze auf Maximalforderungen auszulegen".

LFP rückt auch wegen des Trends zu Cell-to-Pack in den Fokus, "da die geringere Energiedichte auf Zellebene durch die höhere Packungsdichte der Zellen im Batteriepack ausgeglichen wird", erklären Alexander Kohs und Robin Brachtendorf von Bertrandt im Artikel Cell-to-Pack – Chancen des kompakten Batteriedesigns entlang des Lebenszyklus. "Durch den niedrigen Preis, die hohe Sicherheit, die Langlebigkeit und den Verzicht auf kritische Materialien wie Nickel und Kobalt haben LFP-Zellen gegenüber NMC-Zellen einen positiven ökonomischen, ökologischen und sozialen Einfluss auf das gesamte Batteriesystem", fassen die Autoren zusammen.

Vorreiter sind Tesla und BYD

Vorreiter in Sachen LFP-Zelle sind der US-amerikanische E-Autobauer Tesla und der chinesische E-Autohersteller BYD. "Zwischenzeitlich setzen aber auch andere Unternehmen LFP-Zellen ein oder planen diesen Schritt", so Backhaus. Beispielsweise habe Volkswagen erklärt, LFP-Batterien für das Einstiegssegment der Fahrzeugpalette anbieten zu wollen. Darüber hinaus soll Nissan nach Medienberichten erwägen, für Schwellenländer produzierte Elektroautos ab 2026 mit günstigeren LFP-Zellen auszustatten. Auch BMW arbeitet an der Weiterentwicklung von Energiespeichersystemen. So bietet die Speichertechnologie der sechsten Generation auch die Option, erstmalig Kathoden aus LFP einzusetzen. Zudem werden die preiswerten E-Kleinwagen rund um den Citroën ë-C3 einen LFP-Akku haben. Die von Svolt zugelieferte LFP-Batterie verfügt über eine Kapazität von 44 kWh.

Entsprechend ihrer Vor- und Nachteile werden NMC- und Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA)-Technologien einerseits sowie LFP-Zellen anderseits in Fahrzeugen eingesetzt: "In Elektrofahrzeugen, in denen die erreichbare Geschwindigkeit und die Fähigkeit, längere Strecken zu fahren, gegenüber dem Preis priorisiert werden (Oberklassensegment), scheinen NMC- und NCA-Technologien aufgrund ihrer höheren Leistung beliebter zu sein. Ist der Preis oberste Priorität, so werden LFP-basierte Batterien eingesetzt, zum Beispiel für größere Fahrzeuge wie Busse oder Schwerlasttransporte oder für Kleinfahrzeuge", heißt es vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI). Seien in Europa und in den USA besonders die leistungsstarken und teureren Oberklassefahrzeuge stark im Markt vertreten, seien es in China auch viele Kleinwagen mit LFP-Zellchemie.

Entwicklung in Richtung LMFP

Optimierungen der LFP-Zellen zielen vor allem auf eine Erhöhung der Energiedichte ab. So lässt sich die Energiedichte einer LFP-Kathode mithilfe von Mangan (LMFP-Kathode) erhöhen. Weiterentwicklungen der LFP-Zelle konzentrieren sich daher auf die Zumischung von bis zu 75 % Mangan zum Lithium-Eisenphosphat. "Das führt zu einer Erhöhung der Zellspannung von heute 3,2 bis 3,3 V auf mehr als 4 V, sodass die Nachteile gegenüber den anderen Zellchemien kompensiert werden könnten", zitiert Backhaus Dr. Kai-Christian Möller von der Fraunhofer-Allianz Batterien. Herausforderung dabei sei jedoch, dass die Ionenleitfähigkeit in der Kathode ausreichend hoch sei und das Material trotz des hohen Mangananteils stabil bleibe.

Einen anderen Weg schlägt CATL mit der sogenannten M3P-Zelle ein, so Backhaus. Hier werde offenbar in der Olivinstruktur des LFP Eisen teilweise durch Metalle wie Magnesium, Zink oder Aluminium ersetzt. CATL zufolge soll die Zelle dadurch 10 bis 20 % mehr Energiedichte als konventionelle LFP-Zellen bieten.

Aktuell dominiert China die NMC- und LFP-Produktion

Wie das Fraunhofer ISI angibt, findet die weltweite Produktion von Batterien mit LFP-Kathoden hauptsächlich in China statt und mache dort etwas mehr als ein Drittel der gesamten Batterieproduktion aus. Die Produktion von Batteriezellen mit NMC-Kathoden würde in China hingegen etwas mehr als ein Viertel ausmachen. Bis 2030 soll die chinesische Produktion etwa ein Viertel der weltweiten Gesamtproduktion von NMC-Kathoden betragen.

In den USA dominiere, so das Fraunhofer ISI, die NMC- und NCA-Zellproduktion. Diese entspreche etwa der Hälfte der dortigen Gesamtproduktion. Der Anteil der USA an der weltweiten Produktion von Zellen mit NMC-Kathoden soll bis 2030 nur um die 20 % erreichen. Die LFP-Zellproduktion in den USA falle verhältnismäßig gering aus und mache somit auch nur einen kleinen Anteil der weltweiten Produktion aus. 

In Europa soll 2030 eindeutig die Produktion von NMC-Batteriezellen überwiegen, so die Fraunhofer-Forscher. Im Verlauf der kommenden Dekade werde daher auch die europäische NMC-Batteriezellproduktion einen immer relevanteren Anteil ausmachen. Parallel soll auch die LFP-Zellproduktion in Europa langsam zunehmen und an Relevanz gewinnen. Aktuell dominiere China aber sowohl die NMC- als auch die LFP-Batteriezellproduktion. Doch sollten "die Ankündigungen in Europa tatsächlich mit der angestrebten Geschwindigkeit umgesetzt werden, wäre die NMC-Batteriezellproduktion in Europa 2030 sogar größer als in China", heißt es.