Technologie, Vorteile und Kosten von Lithium-Ionen-Batterien

Wie funktioniert eine Lithium-Ionen-Batterie? Welche Vorteile bietet sie gegenüber einer Blei-Säure-Batterie? Wann lohnt sich ein Lithium-Ionen-Batteriespeicher?A Lithium-Ionen-Akku(kurz: Lithium-Ionen-Akku oder Li-Ionen-Akku) ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf Basis von Lithiumverbindungen in allen drei Phasen, in der negativen Elektrode, in der positiven Elektrode sowie im Elektrolyten, der elektrochemischen Zelle. Lithium-Ionen-Akkus haben im Vergleich zu anderen Batterietypen eine hohe spezifische Energie, benötigen aber in den meisten Anwendungen elektronische Schutzschaltungen, da sie sowohl auf Tiefentladung als auch auf Überladung negativ reagieren.Lithium-Ionen-Solarbatterien werden mit Strom aus der Photovoltaikanlage geladen und bei Bedarf wieder entladen. Lange Zeit galten Bleibatterien hierfür als ideale Solarstromlösung. Lithium-Ionen-basierte Akkus bieten jedoch entscheidende Vorteile, sind in der Anschaffung zwar noch mit Mehrkosten verbunden, amortisieren sich jedoch durch den gezielten Einsatz.Technischer Aufbau und Energiespeicherverhalten von Lithium-Ionen-BatterienLithium-Ionen-Akkus unterscheiden sich in ihrem Aufbau nicht grundsätzlich von Blei-Säure-Akkus. Lediglich der Ladungsträger ist anders: Beim Laden „wandern“ Lithium-Ionen von der positiven zur negativen Elektrode des Akkus und bleiben dort „gespeichert“, bis der Akku wieder entladen wird. Als Elektroden kommen meist hochwertige Graphitleiter zum Einsatz. Es gibt jedoch auch Varianten mit Eisenleitern oder Kobaltleitern.Abhängig von den verwendeten Leitern weisen Lithium-Ionen-Akkus unterschiedliche Spannungen auf. Der Elektrolyt selbst muss in einem Lithium-Ionen-Akku wasserfrei sein, da Lithium und Wasser eine heftige Reaktion auslösen. Im Gegensatz zu ihren Blei-Säure-Vorgängern weisen moderne Lithium-Ionen-Akkus (fast) keine Memory-Effekte oder Selbstentladungen auf, und Lithium-Ionen-Akkus behalten ihre volle Leistung lange Zeit.Lithium-Ionen-Akkumulatoren bestehen üblicherweise aus den chemischen Elementen Mangan, Nickel und Kobalt. Kobalt (chemisch: Kobalt) ist ein seltenes Element und verteuert daher die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Zudem ist Kobalt umweltschädlich. Daher gibt es zahlreiche Forschungsanstrengungen, das Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Hochvoltbatterien kobaltfrei herzustellen.Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien gegenüber Blei-Säure-Batterien◎Der Einsatz moderner Lithium-Ionen-Akkus bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, die einfache Blei-Säure-Batterien nicht bieten können.◎Zum einen haben sie eine deutlich längere Lebensdauer als Blei-Säure-Batterien: Eine Lithium-Ionen-Batterie kann Solarstrom für einen Zeitraum von fast 20 Jahren speichern.◎Auch die Anzahl der Ladezyklen und die Entladetiefe sind um ein Vielfaches höher als bei Bleiakkus.◎Aufgrund der unterschiedlichen Materialien, die bei der Herstellung verwendet werden, sind Lithium-Ionen-Batterien zudem deutlich leichter als Bleibatterien und kompakter. Sie benötigen daher beim Einbau weniger Platz.◎Auch hinsichtlich der Selbstentladung weisen Lithium-Ionen-Akkus bessere Lagereigenschaften auf.◎Darüber hinaus darf man den Umweltaspekt nicht vergessen: Denn Bleiakkus sind aufgrund des verwendeten Bleis in ihrer Herstellung nicht besonders umweltfreundlich.Technische Kennzahlen von Lithium-Ionen-BatterienAndererseits muss auch erwähnt werden, dass aufgrund der langen Nutzungsdauer von Bleibatterien deutlich mehr aussagekräftige Langzeitstudien vorliegen als für die noch sehr neuen Lithium-Ionen-Batterien, sodass sich deren Einsatz und die damit verbundenen Kosten auch besser und zuverlässiger kalkulieren lassen. Zudem ist das Sicherheitssystem moderner Bleibatterien teilweise sogar besser als das von Lithium-Ionen-Batterien.Grundsätzlich ist die Sorge vor gefährlichen Defekten bei Lithium-Ionen-Zellen auch nicht unbegründet: So können sich beispielsweise Dendriten, also spitze Lithium-Ablagerungen, an der Anode bilden. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese dann Kurzschlüsse auslösen und damit letztlich auch einen Thermal Runaway (eine exotherme Reaktion mit starker, sich selbst beschleunigender Wärmeentwicklung) verursachen, ist insbesondere bei Lithium-Zellen gegeben, die minderwertige Zellkomponenten enthalten. Im schlimmsten Fall kann die Ausbreitung dieses Fehlers auf benachbarte Zellen zu einer Kettenreaktion und einem Brand der Batterie führen.Da jedoch immer mehr Kunden Lithium-Ionen-Batterien als Solarbatterien einsetzen, führen die Lerneffekte der Hersteller mit größeren Produktionsmengen auch zu weiteren technischen Verbesserungen der Speicherleistung und höheren Betriebssicherheit von Lithium-Ionen-Batterien sowie zu weiteren Kostensenkungen. Der aktuelle technische Entwicklungsstand von Li-Ionen-Batterien lässt sich in folgenden technischen Kennzahlen zusammenfassen:

Speicherkapazität und Kosten von Lithium-Ionen-SolarbatterienDie Kosten einer Lithium-Ionen-Solarbatterie sind im Allgemeinen höher als die einer Blei-Säure-Batterie. Beispielsweise sind Bleibatterien mit einer Kapazität von5 kWhDerzeit kosten sie durchschnittlich 800 Dollar pro Kilowattstunde Nennleistung.Vergleichbare Lithium-Systeme kosten dagegen 1.700 Dollar pro Kilowattstunde. Allerdings ist die Spanne zwischen den günstigsten und teuersten Systemen deutlich höher als bei Blei-Systemen. So sind Lithium-Batterien mit 5 kWh auch schon ab 1.200 Dollar pro kWh erhältlich.Trotz der in der Regel höheren Anschaffungskosten sind die Kosten einer Lithium-Ionen-Solarbatterieanlage pro gespeicherter Kilowattstunde über die gesamte Lebensdauer gerechnet jedoch günstiger, da Lithium-Ionen-Batterien länger Strom liefern als Blei-Säure-Batterien, die nach einer gewissen Zeit ausgetauscht werden müssen.Daher darf man sich beim Kauf eines Heimspeichers nicht von höheren Anschaffungskosten abschrecken lassen, sondern muss die Wirtschaftlichkeit einer Lithium-Ionen-Batterie immer ins Verhältnis zur gesamten Lebensdauer und Anzahl der gespeicherten Kilowattstunden setzen.Mit den folgenden Formeln lassen sich alle Kennzahlen eines Lithium-Ionen-Batteriespeichers für PV-Anlagen berechnen:1) Nominale Kapazität * Ladezyklen = Theoretische Speicherkapazität.2) Theoretische Speicherkapazität * Wirkungsgrad * Entladetiefe = Nutzbare Speicherkapazität3) Anschaffungskosten / Nutzbare Speicherkapazität = Kosten pro gespeicherter kWh

BSLBATT: Hersteller von Lithium-Ionen-SolarbatterienDerzeit gibt es viele Hersteller und Anbieter von Lithium-Ionen-Batterien.BSLBATT Lithium-Ionen-SolarbatterienDabei verwenden wir A-Klasse LiFePo4-Zellen der Hersteller BYD, Nintec und CATL, kombinieren diese und versehen sie mit einer auf Photovoltaik-Stromspeicher abgestimmten Ladesteuerung (Batteriemanagementsystem), um den ordnungsgemäßen und störungsfreien Betrieb jeder einzelnen Speicherzelle sowie des Gesamtsystems zu gewährleisten.