Technologie, Vorteile und Kosten von Lithium-Ionen-Batterien

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku? Welche Vorteile bietet er gegenüber einem Bleiakku? Wann lohnt sich die Anschaffung eines Lithium-Ionen-Akkus zur Energiespeicherung?A Lithium-Ionen-BatterieLithium-Ionen-Akkus (kurz: Lithium-Ionen-Akkus) sind Akkumulatoren, die auf Lithiumverbindungen in allen drei Phasen basieren: in der negativen Elektrode, in der positiven Elektrode und im Elektrolyten (der elektrochemischen Zelle). Lithium-Ionen-Akkus weisen im Vergleich zu anderen Akkutypen eine hohe spezifische Energie auf, benötigen jedoch in den meisten Anwendungen elektronische Schutzschaltungen, da sie sowohl auf Tiefentladung als auch auf Überladung empfindlich reagieren.Lithium-Ionen-Solarbatterien werden mit Strom aus der Photovoltaikanlage geladen und bei Bedarf wieder entladen. Lange Zeit galten Bleiakkumulatoren als die ideale Solarlösung für diesen Zweck. Lithium-Ionen-Batterien bieten jedoch entscheidende Vorteile, auch wenn die Anschaffung mit zusätzlichen Kosten verbunden ist, die sich aber durch gezielte Nutzung amortisieren.Technischer Aufbau und Energiespeicherverhalten von Lithium-Ionen-BatterienLithium-Ionen-Akkus unterscheiden sich in ihrem Aufbau grundsätzlich nicht von Bleiakkumulatoren. Lediglich die Ladungsträger sind unterschiedlich: Beim Laden des Akkus wandern Lithium-Ionen von der positiven zur negativen Elektrode und bleiben dort gespeichert, bis der Akku wieder entladen wird. Als Elektroden werden üblicherweise hochwertige Graphitleiter verwendet. Es gibt jedoch auch Varianten mit Eisen- oder Kobaltleitern.Lithium-Ionen-Akkus weisen je nach verwendetem Leitermaterial unterschiedliche Spannungen auf. Der Elektrolyt 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 (nahezu) keinen Memory-Effekt und keine Selbstentladung auf und behalten ihre volle Kapazität über einen langen Zeitraum.Lithium-Ionen-Akkumulatoren bestehen üblicherweise aus den chemischen Elementen Mangan, Nickel und Kobalt. Kobalt ist ein seltenes Element und verteuert daher die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Zudem ist Kobalt umweltschädlich. Aus diesem Grund wird intensiv an der Entwicklung von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Hochvoltbatterien ohne Kobalt geforscht.Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien gegenüber Blei-Säure-Batterien◎Der Einsatz moderner Lithium-Ionen-Batterien bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, die einfache Blei-Säure-Batterien nicht bieten können.◎Zum einen haben sie eine deutlich längere Lebensdauer als Bleiakkumulatoren. Ein Lithium-Ionen-Akku kann Solarenergie für einen Zeitraum von fast 20 Jahren speichern.◎Die Anzahl der Ladezyklen und die Entladetiefe sind um ein Vielfaches höher als bei Bleiakkumulatoren.◎Aufgrund der verwendeten Materialien sind Lithium-Ionen-Akkus deutlich leichter und kompakter als Bleiakkumulatoren. Daher benötigen sie beim Einbau weniger Platz.◎Lithium-Ionen-Batterien weisen zudem bessere Speichereigenschaften hinsichtlich der Selbstentladung auf.◎Darüber hinaus darf der Umweltaspekt nicht außer Acht gelassen werden: Denn Bleiakkumulatoren 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 Bleiakkumulatoren deutlich mehr aussagekräftige Langzeitstudien vorliegen als für die noch recht neuen Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Dadurch lassen sich deren Nutzung und die damit verbundenen Kosten besser und zuverlässiger berechnen. Zudem ist das Sicherheitssystem moderner Bleiakkumulatoren teilweise sogar besser als das von Lithium-Ionen-Akkumulatoren.Prinzipiell ist die Sorge vor gefährlichen Defekten in Lithium-Ionen-Zellen nicht unbegründet: Beispielsweise können sich Dendriten, also spitze Lithiumablagerungen, an der Anode bilden. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Kurzschlüsse auslösen und somit letztendlich auch ein thermisches Durchgehen (eine exotherme Reaktion mit starker, sich selbst beschleunigender Wärmeentwicklung) verursachen, ist besonders hoch bei Lithiumzellen mit minderwertigen Zellkomponenten. Im schlimmsten Fall kann die Ausbreitung dieses Fehlers auf benachbarte Zellen zu einer Kettenreaktion und einem Brand in der Batterie führen.Da jedoch immer mehr Kunden Lithium-Ionen-Batterien als Solarspeicher einsetzen, führen die Lerneffekte der Hersteller mit größeren Produktionsmengen zu weiteren technischen Verbesserungen der Speicherleistung und einer höheren Betriebssicherheit von Lithium-Ionen-Batterien sowie zu weiteren Kostensenkungen. Der aktuelle Stand der technischen Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien lässt sich in den folgenden 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 kosten Blei-Säure-Batterien mit einer Kapazität von5 kWhDie Kosten belaufen sich derzeit im Durchschnitt auf 800 Dollar pro Kilowattstunde Nennleistung.Vergleichbare Lithiumsysteme kosten hingegen 1.700 US-Dollar pro Kilowattstunde. Die Preisspanne zwischen den günstigsten und teuersten Systemen ist jedoch deutlich größer als bei Bleiakkumulatoren. So sind beispielsweise Lithiumbatterien mit 5 kWh bereits ab 1.200 US-Dollar pro kWh erhältlich.Trotz der generell höheren Anschaffungskosten sind die Kosten eines Lithium-Ionen-Solarbatteriesystems pro gespeicherter Kilowattstunde über die gesamte Lebensdauer betrachtet jedoch günstiger, da Lithium-Ionen-Batterien länger Strom liefern als Blei-Säure-Batterien, die nach einer gewissen Zeit ersetzt werden müssen.Beim Kauf eines Heimspeichersystems sollte man sich daher nicht von den höheren Anschaffungskosten abschrecken lassen, sondern muss die Wirtschaftlichkeit einer Lithium-Ionen-Batterie stets mit der gesamten Lebensdauer und der Anzahl der gespeicherten Kilowattstunden in Beziehung setzen.Mit den folgenden Formeln lassen sich alle wichtigen Kennzahlen eines Lithium-Ionen-Batteriespeichersystems für PV-Systeme berechnen:1) Nennkapazität * 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 Lieferanten von Lithium-Ionen-Batterien.BSLBATT Lithium-Ionen-SolarbatterienWir verwenden LiFePo4-Zellen der Güteklasse A von BYD, Nintec und CATL, kombinieren diese und statten sie mit einem Ladekontrollsystem (Batteriemanagementsystem) aus, das auf die Photovoltaik-Energiespeicherung abgestimmt ist, um den ordnungsgemäßen und störungsfreien Betrieb jeder einzelnen Speicherzelle sowie des gesamten Systems zu gewährleisten.