Verständnis der UPS-Batterietypen: Blei-Säure vs. LiFePO4

Unerwartet kann Ihre UPS-Batterie ausfallen und die Funktionalität der USV unterbrechen. Das führt meist zu einer impulsiven Suche nach einer neuen, voll aufgeladenen Batterie. Es ist Zeit, sich für den am besten geeigneten Batterietyp für Ihr USV-System zu entscheiden.

Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4) und Blei-Säure-Batterien sind die beliebtesten UPS-Batterietypen. So leistungsfähig LiFePO4 auch im Vergleich zur Blei-Säure-Batterie ist, kann die Wahl zwischen beiden leicht überwältigend sein. 

Dieser Artikel erklärt sie einfach und prägnant auf Ihrem Verständnisniveau. Kennen Sie die Unterschiede und wählen Sie schließlich klug.

Blei-Säure-Batterien verstehen

Blei-Säure-Batterien sind die ältesten wiederaufladbaren Batterien, die derzeit verwendet werden. Sie waren die erste Erfindung einer wiederaufladbaren Batterie, die Mitte des 19. Jahrhunderts auf den Markt kam. Überraschenderweise blieben sie auch nach neueren Erfindungen moderner wiederaufladbarer Batterien führend.  

Im Laufe der Zeit gab es jedoch technologische Verbesserungen des Produkts. So teilt sich die Blei-Säure-Batterie weiter in verschiedene Typen auf, wobei der neueste und fortschrittlichste der AGM-Typ (Absorbed Glass Mat) ist. Auch das Blei selbst wurde durch die Innovation von Bleilegierungen modifiziert, um die Effizienz dieser Batterie zu verbessern. 

Die Struktur des Batterieblocks

Damit ist Ihre Neugier beantwortet, wie eine Blei-Säure-Batterie aussieht. Ihre Struktur enthält mehrere Teile, die symbiotisch zusammenarbeiten, um elektrische Ladung an ein angeschlossenes System abzugeben. 

Typischerweise besteht eine versiegelte Batterie aus Elektroden und einem Elektrolyten (einer anodischen Lösung, meist sauer). In diesem Fall verwendet eine Blei-Säure-Batterie Bleidioxid und schwammiges/poröses Blei als Elektroden und konzentrierte Schwefelsäure als Elektrolyt, um Strom zu erzeugen. 

Dies sind die Hauptbestandteile einer Blei-Säure-Batterie:

• Kathode (die positive Platte): das Bleidioxid (PbO2)
• Anode (die negative Platte): der Schwammblei (Pb)
• Elektrolyt: konzentrierte Schwefelsäure (mit Wasser gemischt)
• Poröse Separatoren, die zwischen den abwechselnden Kathoden- und Anodenplatten positioniert sind

Alle diese primären Elemente sind in einem Kunststoffgehäuse eingeschlossen, das sie intakt hält. Der Elektrolyt füllt den Raum aus, der von den anderen Elementen im Fach oder Batteriefach übrig bleibt. Daher sind die Platten und der Separator vollständig in die Schwefelsäurelösung eingetaucht, um einen elektrochemischen Prozess zu ermöglichen. 

Wie die Blei-Säure-Batterie funktioniert

Für Laien wird elektrische Energie durch chemische Reaktionen zwischen den reaktiven Komponenten der Batterie erzeugt. Eine Blei-Säure-Batterie kann Ihr UPS dank des Elektronenflusses zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten mit Strom versorgen. 

Einfacher ausgedrückt handelt es sich um einen elektrochemischen Kreislauf, in dem Elektronen von der negativen Platte durch das Gerät, das sie mit Strom versorgt, zur positiven Platte fließen. 

An der Anode reagiert der Schwammblei mit der wässrigen Schwefelsäure und gibt Elektronen ab. Gleichzeitig findet an der Kathode eine weitere Reaktion statt, die die Aufnahme der an der Anode angesammelten Elektronen erfordert. Es ist reine Chemie, die im Batteriekasten abläuft, und allein das Lernen darüber macht die gesamte Lernreise faszinierend.

Vor- und Nachteile von Blei-Säure-Batterien

Hier erfahren Sie, was Sie von einer Blei-Säure-Batterie erwarten können. Nachdem Sie die Vorteile kennengelernt haben, bewerten Sie die Einschränkungen dieses UPS-Batterietyps, um zu entscheiden, ob eine Blei-Säure-Batterie die richtige Wahl für Sie ist. 

Vorteile (Pros)

• Breite Verfügbarkeit: Wie bereits erwähnt, gibt es Blei-Säure-Batterien seit vielen Jahrzehnten aufgrund ihrer weit verbreiteten Nutzung. Sie sind sehr beliebt und werden in Einzelhandelsgeschäften, Baumärkten und sogar Online-Shops weltweit.
• Kostenersparnis: Diese Batterie ist eine der günstigsten auf dem Markt. Mit einer Blei-Säure-Batterie können Sie problemlos Ihr knappes Budget einhalten.
• Langlebigkeit und Widerstandsfähigkeit: Blei-Säure-Batterien sind robust gebaut und liefern auch unter extremen Bedingungen, wie sehr hohen Temperaturen, zuverlässig Strom. Sie funktionieren sowohl bei Kälte als auch bei Hitze ohne Fehlfunktionen. 
• Umweltfreundlichkeit:  Dies ist ein nachhaltiger Batterietyp, da er recycelbar ist. Er reduziert den Bedarf an neuen Rohstoffen für die Herstellung, schont globale Ressourcen und verringert die Umweltbelastung. Die Bleikomponenten einer alten Blei-Säure-Batterie können leicht zur Herstellung neuer Blei-Säure-Batterien wiederverwendet werden.

• Schwere und sperrige Batterie: Der hohe Bleigehalt macht Blei-Säure-Batterien schwer und unhandlich. Daher eignen sie sich am besten für Anwendungen, bei denen keine Mobilität erforderlich ist. 
• Begrenzte Lebensdauer: Blei-Säure-Batterien haben im Vergleich zu modernen, aufkommenden Batterien kürzere Lade-Entlade-Zyklen und somit eine kürzere Lebensdauer. Die Zykluslebensdauer liegt zwischen 500 und 1000 Zyklen, abhängig vom Typ der Blei-Säure-Batterie. 
• Wartungsanforderungen:  Insbesondere der Typ der gefluteten Blei-Säure-Batterie erfordert regelmäßige Wartung. Sie müssen den Elektrolytstand überprüfen und den Elektrolyten in der Batterie mit destilliertem oder deionisiertem Wasser nachfüllen. Dabei ist darauf zu achten, die Batterie weder zu über- noch zu unterfüllen. 

LiFePO4-Batterien

Bei der LiFePO4-Technologie handelt es sich um eine leichte Batterie, die wartungsfrei ist, eine höhere Leistung und Effizienz bietet, aber auch recht teuer ist. Manchmal als LFP-Batterien bezeichnet, sind LiFePO4 (Lithium-Eisen-Phosphat)-Batterien eine Art Lithium-Ionen-Batterie, die für Notstromsysteme wie USV-Anlagen geeignet ist.

Wie Blei-Säure-Batterien gehören Lithium-Ionen-Batterien zur Familie der wiederaufladbaren Batterien. Die erste Lithium-Ionen-Batterie wurde in den 1990er Jahren entwickelt. Sie hat sich im Laufe der Jahre durch Verbesserungen in Leistung und Zuverlässigkeit weiterentwickelt und boomt derzeit auf dem technologiegetriebenen Batteriemarkt.

Ursprünglich wurde dieser Batterietyp mit Laptops, Mobiltelefonen, Kameras und den meisten kleinen tragbaren elektronischen Geräten in Verbindung gebracht. Später entwickelte er sich weiter und fand Anwendung in Stromversorgungen zur Notstromversorgung, Elektrofahrzeugen und anderen großen Systemen mit hohem Leistungsbedarf.

Zusammensetzung der LiFePO4-Batterien

Grundlegend bestehen LiFePO4-Batterien aus Lithium, Eisen und Phosphat, dem Material, das die Kathode bildet. Da Lithium das Schlüsselelement ist, gelten sie als eine Art Lithium-Ionen-Batterie. 

Der Anodenbereich besteht aus Graphit- und Kohlenstoffmaterialien, während der Elektrolyt im Wesentlichen ein in einem organischen Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz ist. Meistens handelt es sich um eine Mischung aus Lithiumhexafluorophosphat und Ethylencarbonat oder Dimethylcarbonat, die den Elektrolyten einer LiFePO4-Batterie bilden.  

Ebenso werden die Elektrodenplatten durch einen porösen polymeren Separator getrennt. Alle diese Komponenten sind in einem luftdichten Gehäuse in Form eines Batteriekastens versiegelt, ähnlich wie bei Blei-Säure-Batterien. 

Wie die LiFePO4-Batterie funktioniert

Beim Entladen wird chemische Energie durch elektrochemische Reaktionen im LiFePO4-System in elektrische Energie umgewandelt. Umgekehrt geschieht dies beim Laden der Batterie, um mehr Energie zu speichern. Diese Batterie arbeitet durch abwechselnde Lade- und Entladezyklen. 

Bei der Stromversorgung lösen sich die Lithium-Ionen von der Kathode und werden vom Graphitanoden angezogen. Dieser Ionenfluss, insbesondere der Elektronen, erzeugt einen elektrischen Strom, der die angeschlossene USV mit Energie versorgt. Im Allgemeinen funktionieren Batterien nach dem gleichen Prinzip der Elektrolyse.

Vor- und Nachteile von LiFePO4-Batterien

LiFePO4-Batterien sind in letzter Zeit aus folgenden Gründen sehr beliebt geworden. Die Nachteile im Vergleich zu anderen Batterietypen werden Sie jedoch zum Nachdenken bringen. Wir empfehlen, die Auswahl nach Ihren vorab festgelegten Bedürfnissen zu treffen. 

Vorteile (Pros)

• Hohe Energiedichte: LiFePO4-Batterien haben eine hohe Energiedichte, da sie viel Energie in einem kleinen Batterieteil speichern.

• Leicht und kompakt: Die meisten LiFePO4-Batterien sind klein und leicht, da die verwendeten Materialien leicht sind und eine hohe Energiekapazität pro Gewichtseinheit besitzen.

• Lange Batterielebensdauer: Diese Batterien ermöglichen 2000 Ladezyklen, die in einem kommerziellen Umfeld bis zu 10.000 Zyklen erreichen können. Somit halten sie lange und haben bei guter Pflege eine Lebensdauer von 5-10 Jahren.

• Umweltfreundlich: Sie bestehen nicht aus giftigen Metallen wie Blei, Kobalt und Kadmium, daher sind sie vollkommen umweltverträglich.

Einschränkungen (Nachteile)

• Höhere Anfangskosten: Die LiFePO4-Batterie ist in der Anschaffung teuer. Ihre langfristigen Vorteile und die Lebensdauer machen sie jedoch zu einer wertvollen Investition für Ihr USV.

• Komplexe Managementanforderungen: Die LiFePO4-Batterie verwendet ein komplexes Batteriemanagementsystem (BMS), das regelmäßige Updates erfordert, um den effizienten Betrieb der Batterie aufrechtzuerhalten.

• Anfälligkeit für raue Bedingungen: Die Einwirkung von extrem hohen oder niedrigen Temperaturen führt zu schlechter Leistung und beschädigt die LiFePO4-Batterie, wodurch ihre Lebensdauer verkürzt wird. Sie werden feststellen, dass die Batterie langsamer lädt, besonders wenn es zu kalt ist.

Vergleich von Blei-Säure-Batterien mit LiFePO4-Batterien

Nun analysieren wir die Unterschiede zwischen Blei-Säure-Batterien und LiFePO4-Batterien anhand von Vergleichen in verschiedenen Aspekten. 

Kosten

Blei-Säure-Batterien sind günstiger als LiFePO4-Batterien, wenn man die Anschaffungskosten betrachtet. Wenn Sie ein begrenztes Budget haben, sind Blei-Säure-Batterien die bessere Wahl. Langfristig sind LiFePO4-Batterien jedoch lohnender, wenn man ihre längere Haltbarkeit und größere Funktionalität berücksichtigt. 

Vergleich der Leistungskennzahlen

• Energieeffizienz: Im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien sind LiFePO4-Batterien energieeffizienter. Sie haben eine höhere Energiedichte, was bedeutet, dass sie mehr Energie auf kleinerem Raum speichern können. 
• Lebenszyklen und Haltbarkeit: LiFePO4-Batterien haben 4-10 Mal mehr Lade- und Entladezyklen als Blei-Säure-Batterien. Je mehr Lebenszyklen, desto robuster und langlebiger sind sie.
• Umweltauswirkungen: LiFePO4-Batterien sind völlig umweltfreundlich, da sie keine giftigen Metalle oder Elemente enthalten. Blei-Säure-Batterien sind zwar umweltfreundlich, da Blei recycelbar ist, können aber dennoch Umweltbelastungen verursachen, da Blei ein hochgiftiges Metall und Schwefelsäure stark korrosiv ist.

Anwendungseignung

LiFePO4-Batterien eignen sich hauptsächlich für große USVs, bei denen eine langanhaltende Stromversorgung benötigt wird. Dies sind oft großflächige gewerbliche Orte und Büroumgebungen mit häufigem Einsatz von Computern und Telekommunikationsgeräten. Platzbedarf, Zuverlässigkeit der Batterie, langfristige Nutzung und Kosteneinsparungen sind hier meist die wichtigsten Kriterien.

Wenn Ihre USV klein oder mittelgroß ist, wählen Sie Blei-Säure-Batterien. Sie werden am meisten für Stromausfälle in Haushalten und Geschäftszentren empfohlen, bei denen die Anfangskosten gegenüber dem langfristigen Wert und der Platzbedarf kaum eine Rolle spielen. 

Das Fazit

Egal, ob Sie sich für LiFePO4- oder Blei-Säure-Batterien entscheiden, legen Sie Ihr Budget und den verfügbaren Platz fest und bewerten Sie die verschiedenen Funktionen und Wartungsanforderungen vor dem Kauf. Keine ist der anderen vollständig überlegen, da Ihre Wahl der USV-Batterie von den zu erfüllenden Energiebedürfnissen abhängt.

Andernfalls besorgen Sie sich eine hochwertige LiFePO4-Batterie oder USV-System von GoldenMate Energy. Wir haben stets Ihre Interessen an Energiespeicherung im Blick. Denken Sie auch daran, sich unser umfassendes Angebot anzusehen Leitfaden, was Ihnen bei Ihrem nächsten Kauf helfen wird.