Batterie: Li-Ion, AGM oder Gel?

Vergleich von 12 V Gel, AGM und Li-Ion Batterien als Zweitbatterie für Camper und Wohnmobil.

Welche ist besser?

TL;DR

Bei einer Li-Ion Batterie erhält man für jeden Euro ca. dreimal so viele effektiv nutzbare Zyklen. Für Anwendungen mit vielen Zyklen und tiefen Entladungen ist die Lithiumionen Batterie - trotz höherem Preis - am besten geeignet. Für günstige Lösungen mit seltenen, kurzen Entladungen genügt eine AGM/Gel Batterie.

	LiFePO4	AGM/Gel	Einheit
Lebensdauer bei ⌀ Entladung: 50 %	5000	700	Zyklen
Max. empf. Entladung	~ 80	~ 40	%
Kosten	300...600	100...150	€
Eff. Wirtschaftlichkeit	12,0	4,3	Zyklen/€

Blei-Säure Batterie

VRLA (AGM/Gel) und Nass-Batterien zählen zu den Blei-Säure Batterien. Ursprünglich wurden Beil-Säure Batterien (genauer Bleiakkus) offen und mit flüssigem Elektrolyt verwendet, daher der Name Nassbatterie. Diese Akkus sind jedoch nicht wartungsfrei, da bei Überladung Wasserstoff und Sauerstoff entsteht und als Knallgas entweicht. Damit die Batterie nicht austrocknet muss in regelmäßigen Abständen destilliertes Wasser nachgefüllt werden. Nassbatterien können außerdem nur aufrecht betrieben werden.

VRLA (AGM/Gel)

Um diese Nachteile zu beseitigen wurde die wartungsfreie und geschlosssene VRLA Batterie entwickelt. VRLA ist die englische Abkürzung für valve-regulated-lead-acid, d.h. die Batteriezellen sind ventilgesteuert und durch Überladung oder einen Zellfehler entstehendes Gas kann durch ein Sicherheitsventil entweichen. Das meiste Gas wird jedoch vorher zu Wasser reduziert und entweicht nicht, sodass die Batterie wartungsfrei ist.

Der Elektrolyt aus Schwefelsäure ($\mathrm{H_2SO_4}$) ist außerdem nicht flüssig. Man unterscheidet hier zwei Typen:

AGM

Die Glasmattentechnologie, engl. absorptive glass-mat (AGM), fixiert den Elektrolyten durch Kapillarkräfte in einem Vlies aus Glasfaser. Die AGM Batterie ist dadurch besonders rüttelfest und hat eine dreifache Zyklenfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Batterien. Sie kann außerdem auch kurzzeitig hohe Ströme liefern, weshalb die Batterie als Starterbatterie besonders bei Start-Stopp-Systemen verwendet wird.

Gel

Die flüssige Schwefelsäure wird durch Zusatz von Kieselsäure in einen Gelartigen Zustand versetzt. Gelbatterien haben einen höheren Innenwiderstand und sind daher weniger geeignet hohe Ströme zu liefern. Sie bietet dafür aber eine geringere Selbstentladung bei längeren Standzeiten und haben im allgemeinen eine längere Lebensdauer.

Beide Batterien sind Zyklenfest und ein Einbau in 90° Seitenlage ist möglich.

Aufbau und Funktion

Die Nennspannung einer Blei-Säure-Zelle beträgt $2\ V$, schwankt jedoch je nach Ladezustand. Für eine $12\ V$ Batterie werden also sechs Zellen in Reihe geschaltet, die in einem durch Trennwände unterteilten Batteriekasten eingebaut sind. Jede Zelle besteht aus einem Plattenblock, in dem mehrere positive und negative Elektroden dicht aneinander liegen und durch einen Separator getrennt werden. Dieser verhindert die direkte Berührung und nimmt die Schwefelsäure auf.

Die negative Elektrodenplatte bestehen im geladenen Zustand aus Blei ($\mathrm{Pb}$) und die positive Elektrode aus Bleidioxid ($\mathrm{PbO_2}$). Die verdünnte Schwefelsäure ($\mathrm{H_2SO_4}$) bildet den Elektrolyten. Sie sorgt für den Ionenfluss zwischen den Elektroden. Der Elektrolyt kann flüssig, gelartig oder wie bei einer AGM Batterie in einem Glasvlies gebunden sein.

Die chemischen Reaktionen bei Entladung sind folgende:

Positiver Pol:

Negativer Pol:

Liefert die Batterie Strom, binden sich die negativ geladenen Sulfationen ($\mathrm{SO_{4}^{2-}}$) aus der Schwefelsäure ($\mathrm{H_2SO_4}$) an die Platten. Beide Platten werden dadurch nach und nach zu Bleisulfat ($\mathrm{PbSO_4}$). Die ungeladenen Bleiatome ($\mathrm{Pb}$) der Bleiplatte werden zweifach positiv geladen ($\mathrm{Pb^{2+}}$), die bisher vierfach positiv geladenen Blei-Ionen ($\mathrm{Pb^{4+}}$) der Bleidioxid-Platte werden ebenfalls zweifach positiv geladen. Um dieses Ladungsgefälle auszugleichen, fließen Elektronen ($\mathrm{2e^{-}}$) von der Bleiplatte zur Bleidioxid-Platte über angeschlossene Kabel und Verbraucher. Die Batterie liefert Strom.

Lebensdauer und Selbstentladung

Typischerweise verlieren geladene Bleiakkus 1 bis 5 % je Monat der gespeicherten Ladung bei Raumtemperatur. Die Selbstentladung beruht auf der sehr langsamen, elektrolytischen Zersetzung von Wasser in $\mathrm{H_2}$ und $\mathrm{O_2}$ (Gasabscheidung) an den Bleielektroden, insbesondere bei erhöhter Temperatur. Eine Veränderung der Lagertemperatur von $10 °C$ bewirkt eine Verdoppelung der Selbstentladung (Arrheniusgesetz). Zur Vermeidung von Schäden sollten alle Batterien spätestens bei Erreichen einer Spannung von $12{,}50\ V$ nachgeladen werden.

Die Lebensdauer kann in der maximalen Anzahl von Zyklen angegeben werden und hängt unter anderem deutlich von der durchschnittlichen Entladungstiefe ab. Bleiakkus können daher maximal 30% - 50% ihrer Kapazität regelmäßig nutzen.

Tabelle 1: Lebensdauer bei durchschnittlichen Entladungstiefe

Entladungstiefe	AGM (Zyklen)	Gel (Zyklen)
30 %	1500	1700
50 %	600	700
80 %	400	500

Quelle: Victron-Datasheet-GEl-AGM.pdf

Das größte Leistungsvermögen hat die Batterie bei einer Raumtemperatur um $25°C$. Bei Kälte ist das Leistungsvermögen der Batterie reduziert, da die chemischen Vorgänge langsamer ablaufen. Zu hohe Temperaturen beschleunigen allerdings die Vorgänge und reduzieren die Lebensdauer der Batterie erheblich:

Tabelle 2: Lebensdauer bei durchschnittlicher Temperatur

Durchschnittliche Temperatur	AGM Jahre	Gel Jahre
20°C	7-10	12
30°C	4	6
40°C	2	3

Quelle: Victron-Datasheet-GEl-AGM.pdf

Ladezustand

Wie in Tabelle 3 zu sehen ist, ist der aktuelle Ladezustand (engl. State of Charge SoC) der Batterie nur bedingt abhängig von der Ruhespannung. Eine genaue Bestimmung des Ladezustands ist nur über einen Messwiderstand (Shunt) möglich. Dieser ist beispielsweise in unserem Produkt AmpCtrl 2 integriert, und speziell für Batterien im Camper entwickelt. Die genaue Überwachung ist wichtig, um eine Tiefentladung zu verhindern und so eine möglichst lange Lebensdauer zu garantieren.

Wichtig

Batterie spätestens bei einer Ruhespannung von $12{,}50\ V$ sofort nachladen. Siehe #Tabelle 1.

Ladespannungen bei einer vollständigen Ladung liegen bei der AGM Batterie zwischen $14{,}6\ V - 14{,}8\ V$ und Gel Batterie bei maximal $14{,}4\ V$. Ladegeräte müssen daher passend zum angeschlossenen Typ eingestellt werden. Stand-by Spannungen zur Erhaltung der Ladung liegen bei beiden Typen zwischen $13{,}2\ V - 13{,}5\ V$. Die Ruhespannung ist dagegen die Spannung der Batterie ohne angeschlossene Verbraucher und Ladegeräte.

Tabelle 3: Ruhespannung zu Ladezustand in %

Ladezustand	Nass	AGM
100 %	>12,7 V	>12,9 V
90 %	>12,6 V	>12,75 V
70 %	>12,4 V	>12,5 V
50 %	>12,2 V	>12,25 V
20 %	>11,8 V	>11,8 V
0...10 %	>10,5 V	>10,5 V

Quelle: Banner-Technisches-Datenblatt.pdf

Li-Ion Batterie

Warum Lithium?

Lithium ist ein Alkalimetall (Elemente der 1. Hauptgruppe, die in ihrer äußersten Schale - Valenzschale - nur ein Elektron besitzen) und ist daher sehr reaktiv. Es ist außerdem das Element mit dem niedrigsten Normalpotential von -3,04 Volt, welches angibt wie leicht ein Atom sein Elektron abgeben kann. Lithium ist daher bestens geeignet zum speichern und abgeben von Elektronen in Akkumulatoren.

Aufbau und Funktion

Für eine $12\ V$ Li-Ion Batterie (meist $\mathrm{LiFePO_4}$) müssen vier einzelne Zellen in Reihe geschaltet werden, da die Nominalspannung einer $\mathrm{LiFePO_4}$ Zelle nur $3{,}2\ V$ beträgt. Die Nennspannung einer $\mathrm{LiFePO_4}$ beträgt daher $4*3{,}2\ V=12{,}8\ V$. Um die Kapazität zu erhöhen, werden mehrere dieser Viererreihen parallel geschaltet. Eine einzelne Zelle hat meistens eine zylindrische Form und wird aus dünn aufgewickelten Schichten - Kathode, Separator und Anode - gefertigt.

Die Zelle einer Li-Ionen Batterie besteht aus einer Kathode (+) einem Separator und der Anode (-). Die Zelle ist gefüllt mit flüssigem oder festem Elektrolyt, der die Li-Ionen aufnimmt und durch den Separator transportiert. Der Separator ist nur für Ionen durchlässig, und verhindert dadurch einen Kurzschluss innerhalb der Batterie. Die Elektronen können nur über die angeschlossenen Kabel fließen. Die Anode besteht meist aus Graphit.

Tabelle 4: Kathodenmaterial und Anwendung

Kathode	Bezeichnung	Kürzel	Anwendung
LiCoO2	Lithium Cobalt Oxid	LCO	Allgemein, Laptop
LiMn2O4	Lithium Mangan Oxid	LMO	Handy, Laptop
LiFePO4	Lithium Eisen Phosphat	LFP	Solarspeicher, Mobile Roboter
LiNiMnCoO2	Lithium Nickel Mangan Cobalt	NMC	E-Scooter, E-Auto

LiFePO4 ist im Vergleich zu anderen Kathoden sicherer, da es nicht so schnell thermisch durchgeht und hohen Temperaturen widersteht. Die Energiedichte ist dafür aber im Vergleich um mindestens 15 % geringer.

Quelle: P. Kurzweil, O. Dietlmeier. 2018. Elektrochemische Speicher

Ladevorgang

Im Beispiel wird als Kathode Lithium Nickel Oxid ausgewählt. Andere Kathodenmaterialien funktionieren aber vom Prinzip gleich.

Nickeloxid ist ein starker Elektronen Akzeptor während das im Nickeloxidgitter gebundenes Lithium das Elektron spendet. Die Li-Ionen und das Nickeloxid sind dadurch in der Kathode gebunden und die Batterie ist entladen. Durch eine angelegte Ladespannung werden Li-Ionen von der Nickeloxid Kristallstruktur in die Elektrolytlösung abgegeben und fließen durch den Separator zur Anode. Gleichzeitig wir das vom Lithium gebundene Elektron von der Kathode freigegeben und leiten über Kabel zur Anode. Es fließt Strom. Durch stetiges entfernen der Li-Ionen und Elektronen vom Nickeloxid bindet dieses immer stärker die verbleibenden Ionen. Daher muss die Ladespannung stetig erhöht werden, um weitere Lithium-Ionen aus der Kristallstruktur lösen zu können.

Die Anode besteht aus Graphit und nimmt die Li-Ionen zwischen den Graphen-Schichten durch elektrostatische Kräfte auf. Graphit kann ein Li-Ion pro sechs Kohlenstoff Atome aufnehmen. Sind alle Plätze besetzt ist die Zelle voll geladen und die Ladespannung beträgt $4{,}2\ V$.

Beim Entladen laufen die Prozesse umgekehrt ab, bis eine Zellspannung von $3{,}0\ V$ erreicht wurde. Ruhespannungen außerhalb von $3{,}0...3{,}6\ V$ beschleunigen die Alterung und bergen Sicherheitsrisiken.

Lebensdauer und Selbstentladung

Die Selbstentladung von Lithiumionen Batterien ist gering: etwa 0,5 % der gespeicherten Ladung pro Woche (bei 20 °C), 2 % pro Woche (bei 40 °C) und 4...10 % pro Woche (bei 60 °C). Dies entspricht der gleichen Selbstenladung wie bei Bleiakkus von 1...5 % pro Monat.

Nahezu 100 % der Kapazität und die volle Leistung ist bei Lithiumionen-Batterien bis zu einer Entladetiefe von 80 % verfügbar. Bei einer Bleibatterie nur bis zu 50 % Entladetiefe.

Bei Temperaturen unter -10 °C ist die verfügbare Leistung und Kapazität stark beeinträchtigt und die Batterie altert schneller. Bei Temperaturen über 40°C zersetzt sich der Elektrolyt. Die optimale Temperatur liegt zwischen 10...25 °C.

Tabelle 5: Lebensdauer bei durchschnittlicher Entladungstiefe

Entladungstiefe	LiFePO4 (Zyklen)
30 %	9000
50 %	5000
80 %	2500

Quelle: Victron-Datasheet-LFP.pdf

Ladezustand

Ladeschlussspannungen bei vollständiger Ladung liegen in der Regel zwischen 14,4...14,6 V. Die Entladeschlussspannung liegt bei 11,2 V. Die Ruhespannung hat bei einer LiFePO4 Batterie - ähnlich wie bei der Bleibatterie - ein Plateau zwischen 10...90 % Ladezustand und liegt bei ca. 12,8 V. Daher ist es schwierig den aktuellen Ladezustand (State of Charge - SoC) anhand der Spannung zu bestimmen. Für eine genaue Bestimmung muss der gesamte ein- und ausfließende Strom über einen angeschlossenen Shunt (Strommesswiderstand) gemessen werden. Daraus kann dann der SoC berechnet werden.

In dem AmpCtrl 2 von Ampeleo, das für die Überwachung von Zweitbatterien entwickelt wurde, ist ein Shunt bereits integriert, sodass du deine Batterie (Li-Ion oder Blei) einfach über die Ampeleo App überwachen kannst.

Tabelle 6: Ruhespannung zu Ladezustand in %

Ladezustand	LiFePO4
100 %	>13,2 V
10...90 %	~12,8 V
0...10 %	>11,2 V

Vergleich

Wichtige Kennwerte von Li-Ion (LiFePO4) und AGM/Gel Batterien sind in folgender Tabelle gegenübergestellt. Die Werte beziehen sich auf eine 100 Ah Batterie für einen einfachen Vergleich.

Tabelle 7: Vergleich einer Lithium-Ionen zu Blei-Batterie (100 Ah)

	LiFePO4	AGM/Gel	Einheit
Max. kont. Entladestrom	200	100	A
Gewicht	14	20	kg
⌀ Entladung: 30 %	9000	1600	Zyklen
⌀ Entladung: 50 %	5000	700	Zyklen
⌀ Entladung: 80 %	2500	500	Zyklen
Max. empf. Entladung	~ 80	~ 40	%
Selbstentladung / Monat	1...5	1...5	%
Empf. Ladestrom	< 50	< 20	A
Effizienz (Auf- Entladen)	92	80	%
Kosten	300...600	100...150	€

Quellen: Victron-Datasheet-LFP.pdf; Victron-Datasheet-GEl-AGM.pdf

Objektiver Vergleich

Für einen direkten objektiven Vergleich haben wir wichtige Parameter aus Tabelle 7 in einer Kennzahl (Effektive Wirtschaftlichkeit der Batterie) zusammengefasst und gegenübergestellt:

$$Batt_{eff} = \frac{Zyklen_{max}}{Kosten_{max}} * E_{max}$$

• $Batt_{eff}$ Effektive Wirtschaftlichkeit der Batterie
• $Zyklen_{max}$ Max. Zyklen bei 30 % Entladung
• $Kosten_{max}$ Max. Kosten
• $E_{max}$ Max. empf. Entladung

Tabelle 8: Kennzahl zum direkten Vergleich

	Li-Ion	AGM/Gel	Einheit
Effektive Wirtschaftlichkeit	12,0	4,3	Zyklen/€

Fazit

Bei einer Li-Ion Batterie erhält man für jeden Euro ca. dreimal so viele effektiv nutzbare Zyklen. Für Anwendungen mit vielen Zyklen und tiefen Entladungen ist die Lithium Ionen Batterie trotz höherem Preis am besten geeignet. Für günstige Lösungen mit seltenen, kurzen Entladungen reicht auch eine AGM/Gel Batterie.

Durch die aktuell schnelle Innovation und den Umschwung auf Li-Ion Technologie für Autos und Netzspeicher wird die Technologie jedes Jahr zusätzlich attraktiver.