LiFePO4 gegen NMC: was die Zellchemie entscheidet

Die zwei Chemien, und worauf sich die Namen beziehen

Beides sind Lithium-Ionen-Akkus. Was sich im Namen ändert, ist die Kathode, also die Elektrode, in die das Lithium beim Entladen wandert. Bei LiFePO4 ist das Lithium-Eisenphosphat, eine Olivinstruktur, in der der Sauerstoff in festen Phosphor-Sauerstoff-Bindungen sitzt. Bei NMC ist es ein Schichtoxid aus Nickel, Mangan und Kobalt, in dem der Sauerstoff von schwächeren Metall-Sauerstoff-Bindungen gehalten wird.

Dieser eine strukturelle Unterschied treibt alles Weitere auf dieser Seite: wie lange die Zelle hält, wie heiß sie werden muss, bevor es gefährlich wird, wie viel Energie in ein Kilogramm passt und wie sie sich nach einem Winter im Kellerabteil verhält. Die Hersteller erklären davon so gut wie nichts. Sie drucken ein Kürzel und eine Zyklenzahl und überlassen den Rest dem Leser.

Achten Sie auf die Beschriftung. BLUETTI, Anker und Jackery schreiben LiFePO4 in ihre Tabellen, EcoFlow schreibt LFP. Das ist dieselbe Chemie unter zwei Namen. Keines der beiden Kürzel sagt etwas über Zellformat, Lieferant oder Qualitätsklasse aus, und keine der vier Marken veröffentlicht das.

Warum die Zyklenzahlen um ein Vielfaches auseinanderliegen

Ein Zyklus altert eine Zelle auf zwei Wegen. Das Gitter der Kathode dehnt sich und zieht sich zusammen, während Lithium ein- und auswandert, und auf der Anode wächst eine Deckschicht, die dauerhaft Lithium verbraucht. Das Olivingitter von LiFePO4 ändert sein Volumen zwischen voll und leer kaum, die mechanische Ermüdung, die Schichtoxidpartikel reißen lässt, fällt also weitgehend weg, und die Zelle behält ihr nutzbares Lithium viel länger.

Der Datenbestand zeigt den Abstand deutlich. Die Jackery Explorer 1000 ist ein Akku mit Lithium-ion und ist ausgelegt auf 800 Zyklen bis 80 %. Ihre Nachfolgerin, die Jackery Explorer 1000 v2, wechselte auf LiFePO4 und ist ausgelegt auf 4 000 Zyklen bis 70 %. Gleicher Hersteller, gleiche Größenklasse, gleiche Aufgabe, und die Angabe vervielfacht sich. Beachten Sie, dass diese beiden Werte zusätzlich unterschiedliche Schwellen verwenden, was der nächste Abschnitt auseinandernimmt.

Am oberen Ende gehen die Zahlen noch weiter: 6 000 Zyklen bis 80 % für die BLUETTI Elite 200 V2. Das entspricht einer täglichen Entladung über Jahre hinweg, bevor der Akku die genannte Schwelle erreicht. Für die meisten Besitzer heißt das, dass nicht die Zellen das Gerät in Rente schicken werden: Steckdosen, Lüfter oder Firmware sind vorher dran.

Eine Zyklenzahl ohne ihre Schwelle sagt nichts

Eine Zyklenangabe ist kein Ausfallpunkt. Sie ist eine Alterungsschwelle: Nach so vielen vollständigen Ladungen und Entladungen soll der Akku noch einen bestimmten Anteil seiner ursprünglichen Kapazität halten. Dieser Anteil ist der Teil, den alle überspringen.

Jackery bezieht seine Angaben auf siebzig Prozent Restkapazität, weshalb bei der Jackery Explorer 1000 v2 4 000 Zyklen bis 70 % steht. BLUETTI, Anker und EcoFlow beziehen ihre auf achtzig Prozent, weshalb bei der BLUETTI Elite 100 V2 4 000 Zyklen bis 80 % steht. Diese beiden Zahlen sehen vergleichbar aus und sind es nicht. Bis auf siebzig Prozent herunter dauert es länger als bis auf achtzig, derselbe Akku bekommt unter Jackerys Konvention also die größere Zahl.

Aus diesem Grund trägt auf dieser Seite jede Angabe ihre Schwelle mit sich, und der Vergleich der Elite 100 V2 mit der Explorer 1000 v2 ist die klarste Stelle, an der beide Konventionen nebeneinanderstehen.

Nicht jeder Hersteller veröffentlicht die Zellchemie überhaupt. Bei der Anker SOLIX C1000 Gen 2 steht in der Tabelle, aus der diese Seite liest, Nicht angegeben, während die Zyklenangabe vorhanden ist. Das sollte man zur Kenntnis nehmen, statt es sich dazuzudenken.

Wärme, und was passiert, wenn eine Zelle misshandelt wird

Thermisches Durchgehen bedeutet, dass eine Zelle sich schneller aufheizt, als sie Wärme abgeben kann, meist weil die Kathode anfängt, Sauerstoff abzugeben und damit die eigene Verbrennung zu füttern. Die Temperatur, ab der eine Schichtoxidkathode damit beginnt, liegt erheblich unter der von Eisenphosphat, und die Phosphatzelle gibt dabei viel weniger Sauerstoff ab.

In der Praxis heißt das: Ein LiFePO4-Akku, der überladen, durchbohrt oder kurzgeschlossen wird, gast, bläht sich und hört auf, statt kräftig zu brennen. Genau diese Eigenschaft hat die Chemie für eine Kiste akzeptabel gemacht, die im Flur lädt, im Camper steht oder neben einem Bett mit angeschlossenem CPAP-Gerät.

Gleichgültig gegen Wärme wird dadurch kein Akku. Dauerhaft hohe Temperatur bleibt der schnellste Weg, Zellen altern zu lassen, ob durch schnelles Laden, volle Last am Wechselrichter oder ein geschlossenes Auto im Sommer. Jedes Mal mit maximaler Leistung zu laden ist eine kleine, dauerhafte Abgabe auf die Zyklenfestigkeit.

Was LiFePO4 kostet: Dichte und Gewicht

Eine Eisenphosphatzelle arbeitet mit einer niedrigeren Nennspannung als eine Nickel-Mangan-Kobalt-Zelle, grob drei Komma zwei Volt gegen drei Komma sechs oder drei Komma sieben, und sie speichert weniger Ladung je Masse. Energie ist Spannung mal Ladung, beide Faktoren gehen also gleichzeitig in die falsche Richtung. Das Ergebnis: Ein LiFePO4-Akku gleicher Kapazität ist schwerer und größer, auf Zellebene typischerweise um ein Viertel oder mehr.

Der Datenbestand zeigt die Rechnung. Die Jackery Explorer 1000 trägt 1 002 Wh bei 10,0 kg. Die Jackery Explorer 1000 v2 mit Lithium-Eisenphosphat trägt 1 070 Wh bei 10,8 kg: etwas mehr Energie für etwas mehr Masse, bei einer vervielfachten Zyklenangabe. Zwischen diesen beiden Generationen hat der Fortschritt beim Packaging den Dichtenachteil größtenteils aufgefangen, aber die Richtung stimmt.

Wirklich spürbar wird es am oberen Ende. Die BLUETTI Elite 200 V2 speichert 2 073,6 Wh und wiegt 24,2 kg, was beidhändig getragen wird und in einem Treppenhaus oft zu zweit. Wenn das Gerät regelmäßig getragen statt gerollt oder stehen gelassen wird, ist das Gewicht der Wert, nach dem sortiert wird, und die Modellübersicht ist der schnellste Weg dahin.

Voll dastehen, und genau das tun die meisten Geräte

Eine Powerstation, die für Stromausfälle gekauft wurde, verbringt fast ihr ganzes Leben voll und untätig. Was sie verschleißt, ist kalendarische Alterung, nicht das Zyklisieren. Der Hauptbeschleuniger ist ein hoher Ladestand: Eine Zelle bei hundert Prozent liegt auf ihrer höchsten inneren Spannung, und die treibt die langsamen Nebenreaktionen an, die Lithium verbrauchen und den Innenwiderstand erhöhen.

LiFePO4 kommt damit deutlich besser zurecht, unter anderem weil seine Spannungskurve über den größten Teil des Ladebereichs flach verläuft und die Spannung bei Vollladung vergleichsweise niedrig liegt. Ein NMC-Akku, der ein Jahr bei Raumtemperatur voll steht, verliert spürbar mehr Kapazität dauerhaft. Das ist der Grund, warum die Chemie die Notstromreserve übernommen hat, noch bevor die Zyklenzahlen zum Verkaufsargument wurden.

Praktische Folge: Ein LiFePO4-Gerät darf ohne schlechtes Gewissen dauerhaft als Bereitschaftsversorgung eingesteckt bleiben. Ein älteres Lithium-Ionen-Gerät lagert besser teilgeladen und wird alle paar Monate nachgeladen.

Kälte, und hier ist LiFePO4 die schwächere Chemie

Das ist die Abwägung, mit der niemand wirbt. Unterhalb des Gefrierpunkts droht beim Laden jeder Lithiumzelle, dass sich metallisches Lithium auf der Anode abscheidet, statt eingelagert zu werden. Das ist ein dauerhafter Schaden und eine Kurzschlussgefahr. Batteriemanagementsysteme verweigern deshalb unter null Grad die Ladung, und die meisten Geräte in diesem Datenbestand tun genau das.

LiFePO4 ist hier empfindlicher als NMC, nicht unempfindlicher. Sein Innenwiderstand steigt bei fallender Temperatur steiler an, sowohl nutzbare Kapazität als auch verfügbare Leistung brechen in der Kälte also früher ein. Entladen funktioniert weit unter null noch, mit verringerter Kapazität. Blockiert wird das Laden.

Die praktische Falle ist die unbeheizte Garage oder das Kellerabteil als Lagerort für ein Gerät, das Winterausfälle überbrücken soll. Es liegt dann genau dann am kältesten, wenn es gebraucht wird. Holen Sie es ins Warme, oder rechnen Sie damit, dass es weniger liefert als der Laufzeitrechner nahelegt und an einem Frostmorgen die Solarleistung verweigert, bis es sich erwärmt hat.