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Vorteile von Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) für USV-Batterie-Lösungen

#TechBlog

Unsere 10-Jahres-Batteriepacks für USV-Systeme:
Darum setzen wir auf LiFePO4-Hochleistungszellen 


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Die ausfallsichere DC-Stromversorgung von Embedded-IPCs, Steuerungen, Motorantrieben, Sensorik, Mess-, Regel- und Sicherheitstechnik verhindert kostspielige Anlagenstillstände oder Datenverlust. Für anspruchsvolle DC-USV-Lösungen in der Industrie, Medizin und Prozesstechnik setzen wir in der Produktion unserer 10-Jahres-Batteriepacks auf LiFePO4-Hochleistungszellen. Warum wird gerade die LiFePO4-Technologie höchsten Ansprüchen an Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit gerecht? Welche Vorteile bietet die LiFePO4-Technologie speziell für USV-Akkus?



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1. Sicherheit

Lithium-Ionen-Technologie im Überblick

Als Nachfolger der herkömmlichen Blei-Schwefelsäure-Batterie­chemie haben sich nicht nur bei portablen elektrischen Geräten und in der Elektromobilität moderne Lithium-Ionen-Batterien durchgesetzt. Zwar sind diese in der Anschaffung teurer als klassische Blei-Gel-Batterien, jedoch lassen sich mit Lithium-Ionen-Technologie besonders hohe Energiedichten mit einer Platz- und Gewichtseinsparung von bis zu 75 % realisieren. Lithium ist das leichteste Metall des Periodensystems und besitzt gleichzeitig ideale elektrochemische Eigenschaften für die Realisierung hoher spezifischer Energiedichten (Wh/kg). Ebenfalls vielfach größer als bei Blei-Gel-Batterien ist die Anzahl der Ladezyklen, die realisierbare Entladetiefe DoD (Depth of Discharge) sowie die Lebensdauer.

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Bei jedem Vollzyklus (Laden/Entladen) ist die Lithium-Ionen-Zelle chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen (Ausdehnung) unterworfen, die eine Alterung der Zelle verursachen. Insbesondere das Laden mit hohen Strömen (Schnellladung) sowie bei tiefen Temperaturen kann zu Lithium-Plating an der Anode führen. Hierbei lagern sich die Lithium-Ionen nicht wie vorgesehen in die Graphit-Schichtstruktur der Anode ein, sondern werden an der Oberfläche der Graphitanode metallisch abgeschieden und führen so zu erheblichen Leistungseinbußen oder gar Kurzschlüssen innerhalb der Zelle. Hohe Ladeschlussspannungen oder gar Überladung führt ebenfalls zu einer starken Wärmeentwicklung, Ausdehnung und Belastung der Lithium-Ionen-Zelle.



Kathodenmaterial entscheidend für Batterie- und Sicherheitseigenschaften

Neben zahlreichen weiteren Materialkombinationen haben sich unter anderem drei Kathodenmaterialien für Energiespeicher etabliert:

Eisenphosphate

  • LiFePO4 Lithium-Eisen-Phosphat (LFP)

Lithium-Metalloxid-Verbindungen

  • LiNiMnCoO2 Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC)
  • LiCoO2 Lithium-Kobalt-Oxid (LCO)

Die verschiedenen Kathodenmaterialien entsprechender Lithium-Ionen-Batterie­zellen bedingen neben unterschiedlichen Nennspannungen eine Vielzahl weiterer Eigenschaften.


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Bei der Auswahl eines Lithium-Ionen-Energiespeichers empfiehlt sich ein genauer Blick auf das eingesetzte Kathodenmaterial, denn Lithium-Ionen-Technologie sorgt insbesondere in sicherheitstechnischer Hinsicht immer wieder für negative Schlagzeilen mit Bildern von brennenden Elektroautos oder schmelzenden Mobiltelefonen. Die hohe erzielbare Energiedichte aufgrund der elektrochemischen Vorteile von Lithium birgt u.a. auch ein erhöhtes Brandrisiko, weshalb Lithium-Ionen-Batterien besonderen Transport- und Luftfrachtbestimmungen unterliegen.


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Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Kathodenmaterial wie Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) kann starke Wärmeentwicklung bei Überladung, ein interner oder externer Kurzschluss, mechanische Beschädigung, produktionsbedingte Verunreinigungen oder starke äußere Hitzeeinwirkung eine zellinterne exothermische chemische Reaktionen auslösen. Die freiwerdende Wärmeenergie erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit der Zellchemie und lässt die zellinterne Temperatur weiter ansteigen. Dieser sich selbstbeschleunigende Prozess kann bei Überschreitung einer spezifischen Temperaturgrenze nicht mehr gestoppt werden. Diese Temperaturgrenze ist abhängig von der eingesetzten Zell-Chemie und beträgt beispielsweise 150 °C bei Lithium-Kobalt-Oxid (LCO). Es kommt zum Thermal Runaway (thermisches Durchgehen), was letztlich zum Brand oder zur Explosion der Zelle führen kann. Da der im Kathodenmaterial gebundene Sauerstoff in einem solchen Fall freigesetzt wird, ist ein derartiger Brand nur sehr schwer zu löschen.

Deshalb müssen Lithium-Ionen-Energiespeicher mit Schutzschaltungen gegen Übertemperatur (OTP), Überstrom (OCP), Überspannung (OVP) und Kurzschluss (SCP) ausgestattet sein sowie die direkte Einwirkung von Hitze und mechanische Beschädigungen der Zellen verhindert werden.



Lithium-Eisen-Phosphat – die besonders sichere Lithium-Ionen-Technologie

Mit Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) steht für das Kathodenmaterial eine wesentlich stabilere chemische Verbindung mit erhöhter Sicherheit zur Verfügung. Im Falle einer Überladung ist die entstehende Wärmeenergie wesentlich geringer und selbst beim „Nageltest“ (interner Kurzschluss der Zelle durch Eindringen eines metallischen Körpers) ist ein thermisches Durchgehen der Zelle nahezu ausgeschlossen, da Lithium-Eisen-Phosphat im Fehlerfall nur wenig bis gar keinen Sauerstoff abgibt und die spezifische Temperatur für einen Thermal Runaway mit 270 °C wesentlich höher liegt als bei anderen Kathodenmaterialien. Bicker Elektronik setzt deshalb bei allen Hochleistungs-Batteriepacks bewusst auf die besonders sichere Lithium-Eisenphosphat-Chemie, welche ein thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) nahezu unmöglich macht. 


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Für unsere BP-LFP-Akkupacks werden ausschließlich Marken-Hochleistungszellen von LithiumWerks verwendet, welche sich durch eine lange Lebensdauer und hohe Zyklenfestigkeit gegenüber anderen Herstellern auf dem Markt deutlich hervorheben. Die automatisierte Produktion der Hochleistungszellen sorgt für gleichbleibend hohe Qualität. Kombiniert mit unserem speziell entwickelten Batterie-Management-System (BMS) können wir höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit des Produkts garantieren.





2. Langlebigkeit

LiFePO4-Hochleistungszellen für 10-Jahres-Batteriepacks

Aufgrund der etwas niedrigeren Zellspannung von 3,2 V ist die Energiedichte von LiFePO4- Zellen zwar nicht ganz so hoch wie bei NMC/LCO-Li-Ion-Zellen, jedoch wird dieser vermeintliche Nachteil bereits nach kurzer Einsatzdauer durch eine rund zehnfach höhere Zyklenfestigkeit ( >3000 Lade- und Entladezyklen bei 80 % der Anfangskapaziät) mehr als ausge­glichen. NMC/LCO-Zellen altern zyklisch wesentlich schneller und weisen bereits nach ca. 300 Zyklen nur noch 80 % der Anfangskapazität auf. Dahingehend relativieren sich auch die etwas höheren Initialkosten beim Einsatz von Lithium-Eisen-Phosphat.

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Jede LiFePO4-Hochleistungszelle wird im Rahmen der Akkupack-Produktion bei Bicker Elektronik geprüft und optimal kalibriert. Auf den Energiespeicher optimierte Lade- und Entladeprofile mit angepassten Ladeschlussspannungen und Entladetiefen DoD (Depth of Discharge) sowie der Einsatz eines Batterie-Management-Systems (BMS) schonen die Materialien der Lithium-Ionen-Zelle und sorgen für eine lange Lebensdauer. Hinsichtlich der Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien sollten diese trotz der äußerst geringen Selbstentladung regelmäßig nachgeladen werden, um eine Tiefenentladung und die damit verbundene Destabilisierung der Zellchemie zu vermeiden.



Niedrige Gesamtbetriebskosten (TCO) im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien

Im Gegensatz zu den vermeintlich günstigen Blei-Säure/Gel/AGM-Akkumulatoren weisen hochwertige Lithium-Eisenphosphat-Zellen eine ca. 15-20x längere Lebensdauer und Zyklenfestigkeit auf. Bei Berechnung der TCO (Total Cost of Ownership) über den gesamten Einsatzzeitraum von mindestens 10 Jahren ergibt sich ein deutlicher Kostenvorteil gegenüber Blei-Säure-Batterien, zumal auch der Aufwand für Wartung und Batterietausch bei LiFePO4 in diesem Zeitraum entfällt.

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3. Leistungsfähigkeit

Hohe Energiedichte und Strombelastbarkeit

Unsere DC-Notstromversorgungen mit LiFePO4-Energiespeichern überbrücken aufgrund der hohen Energiedichte auch längere Ausfallzeiten – je nach versorgter Last. Zudem kann beim LiFePO4-Batteriepack die volle Nennkapazität zu 100% dauerhaft entnommen werden. Blei-Säure-Batterien haben hinsichtlich Entladetiefe und Zyklenzahl deutliche Einschränkungen in der Anwendung. Darüber hinaus erlaubt der elektrochemische Aufbau von LiFePO4-Hochleistungszellen im direkten Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batteriesystemen hohe Lade- und Entladeströme sowie eine erhöhte Impulsbelastbarkeit.

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Einsatz bei Minustemperaturen

Im Vergleich zu anderen Batterietechnologien sind LiFePO4-Zellen wesentlich unempfindlicher gegenüber Hitze und selbst der Einsatz bei Minus-Temperaturen ist möglich. Der Temperaturbereich handelsüblicher LiFePO4-Zellen erstreckt sich hierbei von -30 bis +65 °C. Wobei der Arbeitstemperaturbereich für die LiFePO4-Batteriepacks BP-LFP / BP-LFP-D von Bicker Elektronik bewusst auf -20 bis +55 °C spezifiziert wurde: Einerseits ist bei extremen Minustemperaturen keine praktikable Ladung der Zellen mehr möglich. Andererseits erreichen die Zellen innerhalb eines Batteriepacks im Normalbetrieb bei einer Umgebungstemperatur von +55 °C aufgrund der Eigenerwärmung bereits eine Zelltemperatur von +65 °C (und würden somit bei höheren Umgebungstemperaturen überlastet). Ein wichtiges Detail, welches man beim Produktvergleich von verschiedenen Zell- und Batteriepacks hinsichtlich der Temperaturangaben berücksichtigen sollte.


LiFePO4-Batteriepacks mit integriertem Batteriemanagement-System (BMS)

Lithium-Ionen-Energiespeicher benötigen hinsichtlich der Optimierung von Lebensdauer und Sicherheit zwingend ein Batterie-Management-System (BMS), welches entweder extern oder als integraler Bestandteil des Energiespeichers umgesetzt werden kann. Das BMS überwacht und steuert den kompletten Lade- und Entladevorgang jeder Batteriezelle des Energiespeichers.

  • Cell-Balancing für optimale Leistungsfähigkeit des Akkupacks
  • Ladezustandsanzeige und SOC-Überwachung (State of Charge)
  • Überwachung der Zellspannungen
  • Stromfluss-Überwachung
  • Battery-Health- und Zyklen-Monitoring
  • Temperaturüberwachung des Batteriepacks mit Abschaltung bei Über-/Untertemperatur
  • Schutz vor Über-/Unterspannung an den Zellen, Überstrom und Tiefenentladung
  • Trennung des Hauptstrompfades bei Kurzschluss

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Ein Balancing-IC misst und kontrolliert permanent die Zellspannungen, sowie den Stromfluss und kann innerhalb von Mikrosekunden auf kritische Veränderungen reagieren. Der LiFePO4-Energiespeicher besitzt zudem einen elektronischen Überstrom- und Kurzschlussschutz, so dass der Batteriepack bei einem Montagefehler keinerlei Schaden nimmt. Gleiches gilt für Über- und Unterspannung an den Zellen. Neben der MOSFET-Sicherheitsschaltung auf dem Batterie-Management-System schützt als zweite Sicherheitsstufe eine spezielle thermische Sicherung den Batteriepack vor der Gefahr einer Überladung. Hier sehen Sie den schematischen Aufbau eines BMS am Beispiel des eigensicheren LiFePO4-Batteriepacks BP-LFP-2725(D):


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Innerhalb eines Energiespeichers werden zur Erhöhung der Nennspannung mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und unterschiedlich starker Alterung der Zellen unterscheiden sich diese in Kapazität und Innenwiderstand. Die Leistungsfähigkeit und Gesamtkapazität des Lithium-Ionen-Batteriepacks richtet sich in diesem Fall nach der „schwächsten“ Zelle im Verbund, da diese beim Ladevorgang als erste den Spannungsgrenzwert für die Ladebegrenzung erreicht und somit die vollständige Aufladung der restlichen Zellen verhindert. Dies beeinflusst Lebensdauer, Zyklenanzahl und Kapazität des Energiespeichers negativ und kann letztlich sogar die Beschädigung des Batteriepacks hervorrufen.



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Das Cell-Balancing (aktiv oder passiv) gleicht diese Unterschiede zwischen den einzelnen Verbund-Batteriezellen durch eine entsprechende Beschaltung aus und sorgt für eine ausgewogene und gleichmäßige Ladung aller Zellen, so dass die volle Kapazität des Lithium-Ionen-Batteriepacks nutzbar bleibt und keine kritischen Extremsituationen an einzelnen Zellen entstehen. Durch das übergeordnete Cell-Balancing kann die Lebensdauer des Batteriepacks entscheidend verlängert werden.





4. Nachhaltigkeit

Verzicht auf giftige Schwermetalle und optimales Recycling

Nicht zuletzt leistet LiFePO4-Batterietechnologie durch den Verzicht auf giftige Schwermetalle wie Nickel, Kadmium oder dem seltenen Rohstoff Kobalt einen aktiven Beitrag zum Schutz von Mensch und Umwelt. Auch beim Recycling überzeugen die Lithium-Eisenphosphat-Zellen. Im Gegensatz zu anderen Akku-Technologien können nahezu 100% aller verwendeten Metalle recycelt werden.


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Hochwertige Batteriepacks mit langer Lebensdauer – Made in Germany

Aufgrund der hervorragenden Materialeigenschaften und der besonders langen Lebensdauer von mindestens 10 Jahren tragen LiFePO4-Energiespeicher zu aktiver Resourcenschonung, reduziertem Entsorgungsaufwand und dem Schutz Umweltschutz bei. Auch hinsichtlich der Gesamtkostenquote (TCO) überzeugt LiFePO4 langfristig als Batterie-Technologie.

In unserer Batteriepack-Produktion am Stammsitz in Donauwörth gelten strenge Standards für Qualität und Sicherheit. Mit größter Sorgfalt und Professionalität entstehen hochwertige und nachhaltige Produkte für den langjährigen 24/7-Dauereinsatz in anspruchsvollen Applikationen unter teils extremen Umweltbdingungen.

All diese Vorteile prädestinieren Lithium-Eisen-Phosphat-Batteriezellen als sichere und besonders langlebige Energiespeicher für zuverlässige DC-USV-Systeme.



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