LiFePO4 vs. Li-Ion: Die beste Batterie für deinen ESP32

LiFePO4 vs. Li-Ion ist eine der wichtigsten Entscheidungen, wenn Ihr ESP32-Projekt zuverlässig, sicher und möglichst lange mit Akku laufen soll. Beide Batterietypen gehören zur Lithium-Familie, unterscheiden sich aber deutlich bei Nennspannung, Ladeverfahren, Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Temperaturverhalten und Sicherheitsreserven. In der Praxis entscheidet nicht nur die Kapazität in mAh, sondern das Gesamtsystem: Spannungsregler, Ruhestrom, Funkzyklen (WLAN/BLE), Peak-Ströme beim Senden, die gewünschte Lebensdauer und die Umgebung (Garten, Keller, Außenbereich, Industrie). Während Li-Ion (inklusive LiPo) oft die höchste Energiedichte bietet und damit kompakte Bauformen ermöglicht, punktet LiFePO4 durch hohe thermische Stabilität, sehr lange Zyklenlebensdauer und eine vergleichsweise „entspannte“ Chemie. Für ESP32-Anwendungen wie batteriebetriebene Sensoren, Solar-Knoten, Tracker oder mobile Geräte können beide Technologien ideal sein – wenn Sie die typischen Stolperfallen vermeiden. Dieser Artikel hilft Ihnen, die passende Batterie für Ihren ESP32 auszuwählen, die Lade- und Schutzschaltung korrekt zu planen und die Laufzeit realistisch zu berechnen, ohne sich von reinen Datenblattwerten in die Irre führen zu lassen.

Grundlagen: Was bedeutet Li-Ion und was ist LiFePO4?

„Li-Ion“ ist ein Sammelbegriff für Lithium-Ionen-Zellen mit verschiedenen Kathodenmaterialien (z. B. NMC, NCA, LCO). Im Maker-Umfeld ist Li-Ion häufig als zylindrische 18650/21700-Zelle oder als flacher LiPo-Akku (Pouch) bekannt. LiFePO4 steht für Lithium-Eisenphosphat, eine spezielle Lithiumchemie mit typischerweise geringerer Energiedichte, aber hoher Stabilität und Zyklenfestigkeit. Für ESP32-Projekte sind diese Unterschiede relevant, weil der ESP32 bei WLAN- oder Bluetooth-Aktivität kurzzeitig hohe Ströme ziehen kann und weil die nutzbare Energie stark davon abhängt, wie sauber Sie die Zellspannung in stabile 3,3 V umsetzen.

• Li-Ion/LiPo: hohe Energiedichte, weit verbreitet, viele Lade-ICs und Module verfügbar.
• LiFePO4: robust, lange Lebensdauer, temperatur- und sicherheitsfreundlicher, meist etwas größer/schwerer bei gleicher Wh.

Spannung im Vergleich: Nennspannung, Ladeendspannung und Entladekurve

Die Zellspannung ist für den ESP32 entscheidend, weil sie bestimmt, welche Reglerarchitektur sinnvoll ist und wie viel Energie tatsächlich nutzbar wird. Typisch gilt: Li-Ion hat eine Nennspannung um 3,6–3,7 V und wird bis etwa 4,2 V geladen. LiFePO4 hat eine Nennspannung um 3,2–3,3 V und wird typischerweise bis etwa 3,6–3,65 V geladen. Das klingt nach einem Detail, ist aber ein zentrales Designkriterium: Ein ESP32 benötigt eine stabile Versorgung (meist 3,3 V). Mit Li-Ion müssen Sie fast immer regeln (Step-Down oder hocheffizienter LDO). Mit LiFePO4 ist eine direkte 3,3-V-Versorgung in manchen Designs näher am Ziel – dennoch bleibt ein Regler oder eine sehr durchdachte Direktversorgung häufig sinnvoll, weil der ESP32 enge Toleranzen und Peak-Ströme hat.

Warum die Entladekurve mehr zählt als die Nennspannung

LiFePO4 hat oft eine relativ flache Entladekurve: Die Spannung bleibt lange in einem stabilen Bereich und fällt erst gegen Ende stärker ab. Das kann für Elektronik praktisch sein, weil die Versorgung weniger „wandert“. Li-Ion fällt tendenziell gleichmäßiger von 4,2 V nach unten, was in manchen Designs früh einen Step-Down erfordert und später die Frage aufwirft, wie tief Sie entladen, ohne Instabilität zu riskieren.

Energie ist Wh, nicht mAh: So vergleichen Sie korrekt

Kapazität in mAh ist nur innerhalb derselben Spannungsebene sinnvoll. Für einen fairen Vergleich sollten Sie in Wattstunden (Wh) denken. Die grobe Energieabschätzung lautet:

$E\approx \frac{C·U}{1000}$

Hier ist E die Energie in Wh, C die Kapazität in mAh und U die (mittlere) Zellspannung in V. Eine 2000-mAh-Li-Ion-Zelle (≈3,7 V) hat grob mehr Energie als eine 2000-mAh-LiFePO4-Zelle (≈3,2 V). Gleichzeitig können Reglerverluste, zulässige Entladetiefe und Temperaturverhalten das Ergebnis in der Praxis verschieben.

Sicherheit und Robustheit: Warum LiFePO4 oft „entspannter“ ist

Bei DIY- und Smart-Home-Projekten ist Sicherheit nicht optional. Lithium-Zellen sind leistungsfähig, aber bei Fehlbehandlung (Kurzschluss, Überladung, mechanische Beschädigung, falsches Ladeverfahren) riskant. LiFePO4 gilt im Vergleich zu vielen klassischen Li-Ion-Chemien als thermisch stabiler und weniger anfällig für kritische Reaktionen. Das bedeutet nicht, dass Schutzschaltungen überflüssig wären – aber die Fehlertoleranz ist häufig höher. In Projekten, die im Außenbereich, in warmen Gehäusen oder über lange Zeit unbeaufsichtigt laufen, ist das ein echtes Argument.

• LiFePO4: höhere thermische Stabilität, oft bevorzugt für stationäre oder „langzeitige“ Anwendungen.
• Li-Ion/LiPo: sicher bei korrekter Auslegung, aber sensibler gegenüber Überladung/Hitze, insbesondere bei Pouch-Zellen ohne mechanischen Schutz.

Für einen praxisnahen Überblick über Lithium-Akkus und Sicherheit ist Battery University eine hilfreiche Quelle.

Zyklenlebensdauer: Was sich bei ESP32-Projekten wirklich bemerkbar macht

Wenn Ihr ESP32-Projekt regelmäßig lädt und entlädt (z. B. Solar-Sensoren im Gartenbau, mobile Geräte, Energy-Harvesting-Knoten), wird die Zyklenlebensdauer entscheidend. LiFePO4 wird häufig für hohe Zyklenzahlen gewählt, während Li-Ion zwar eine hohe Energiedichte bietet, bei häufigen Vollzyklen aber schneller an Kapazität verliert. Wichtig ist: Nicht nur die Chemie entscheidet, sondern auch Ihr Ladeprofil, die maximale Ladespannung, die Entladetiefe (DoD) und die Temperatur.

• DoD reduzieren: Teilzyklen (z. B. 20–80 %) erhöhen oft die Lebensdauer deutlich.
• Temperatur managen: Hitze ist ein Kapazitäts- und Lebensdauerkiller, unabhängig vom Typ.
• Sanfter laden: Moderate Ladeströme und korrektes Ladeende helfen der Zellgesundheit.

Laden: Warum der richtige Laderegler so wichtig ist

Li-Ion und LiFePO4 benötigen unterschiedliche Ladeendspannungen und teilweise unterschiedliche Profile. Für ESP32-Projekte ist das zentral: Ein falscher Laderegler lädt die Zelle entweder nicht voll (zu niedrige Endspannung) oder gefährlich hoch (zu hohe Endspannung). Viele günstige Lade-Module im Maker-Bereich sind explizit für Li-Ion/LiPo (4,2 V) ausgelegt. Wenn Sie LiFePO4 nutzen, müssen Sie einen geeigneten Lader wählen oder sicherstellen, dass das Modul für 3,6–3,65 V Ladeende ausgelegt ist.

• Li-Ion/LiPo: übliche Ladeendspannung 4,2 V; riesige Auswahl an Lade-ICs und Boards.
• LiFePO4: typische Ladeendspannung 3,6–3,65 V; benötigt passenden Regler und korrekte Terminierung.
• Schutzschaltungen: Unterspannungsabschaltung (UVP), Überstrom (OCP), Überladung (OVP) sind in vielen Projekten Pflicht.

Solar und Energy Harvesting: Unterschiede werden sichtbar

Bei Solarprojekten zeigt sich der Charakter der Chemie: LiFePO4 verträgt häufig viele Teilzyklen gut, während Li-Ion stärker von optimierten Ladealgorithmen profitieren kann. Entscheidend ist, dass der Laderegler mit schwankender Solarleistung umgehen kann (Stichwort MPPT bzw. harvesting-fähige Regler). Wenn Sie Solar planen, lohnt sich ein Blick auf die Grundlagen von MPPT, z. B. über PV Education zum MPPT-Prinzip.

Spannungsregler zum ESP32: LDO, Buck oder Buck-Boost?

Der ESP32 ist empfindlich gegenüber Spannungseinbrüchen, insbesondere wenn WLAN sendet. Außerdem sind Ruhestrom und Wirkungsgrad Ihres Reglers entscheidend für die reale Laufzeit. Die „beste Batterie“ ist daher immer auch eine Frage der besten Reglerarchitektur.

• Li-Ion → 3,3 V: Häufig Buck (Step-Down) oder sehr guter LDO (wenn Verlustleistung akzeptabel ist). Buck ist meist effizienter, LDO kann einfacher sein.
• LiFePO4 → 3,3 V: Je nach Spannungsfenster Buck/Buck-Boost oder ein sehr geeigneter LDO; direkte Versorgung ist nur mit sauberer Auslegung ratsam.
• Ruhestrom: Für Deep-Sleep-Projekte zählt ein Regler mit sehr niedrigem Quiescent Current.

In batteriebetriebenen Sensoren ist der Regler-Ruhestrom oft wichtiger als der Peak-Wirkungsgrad. Ein „perfekter“ Akku bringt wenig, wenn der Regler dauerhaft milliampereweise Energie verbrennt.

ESP32-Peaks und Innenwiderstand: Warum Akkus trotz Kapazität „aussteigen“ können

Beim WLAN-Transmit zieht der ESP32 kurzzeitig deutlich mehr Strom als im Mittel. Wenn Akku, Leitungen oder Regler nicht dafür ausgelegt sind, kommt es zu Spannungseinbrüchen (Brownouts) – selbst wenn die Batterie noch „voll“ wirkt. Besonders relevant sind hier Innenwiderstand, Kontaktqualität (Halter, Kabel, Steckverbinder) und ausreichend dimensionierte Pufferkondensatoren nahe am ESP32.

• Kurze, dicke Leitungen: Reduzieren Spannungsabfall.
• Pufferkondensatoren: Stabilisieren Peak-Lasten, verringern Brownout-Risiko.
• Akkuqualität: Billige Zellen oder alte Zellen haben oft höheren Innenwiderstand.
• Temperatur: Kälte erhöht Innenwiderstand; Outdoor-Sensoren müssen darauf ausgelegt sein.

Temperaturverhalten im Garten, Keller oder Außenbereich

Für Gartenbau, Outdoor-Sensorik und unbeheizte Orte ist Temperatur ein Schlüsselthema. Kälte reduziert bei vielen Batterietypen die nutzbare Kapazität und erhöht den Innenwiderstand. Hitze beschleunigt Alterung. LiFePO4 wird häufig als robust bei wechselnden Bedingungen wahrgenommen, während Li-Ion in extremen Temperaturen stärker „zickig“ sein kann. Dennoch gilt: Die konkrete Zellqualität, das BMS und das Gehäusedesign entscheiden maßgeblich.

• Kälte: Weniger nutzbare Kapazität, mehr Spannungseinbrüche bei Peaks.
• Hitze: Schnellere Alterung; Gehäuse nicht in direkte Sonne ohne Wärmeabfuhr.
• Feuchtigkeit: Nicht die Zelle selbst, aber Kontakte/Elektronik müssen geschützt werden.

Gewicht, Volumen und Energiedichte: Wann Li-Ion klar gewinnt

Wenn Ihr ESP32-Projekt möglichst klein und leicht sein soll (Wearables, mobile Geräte, kompakte Handgeräte), ist Li-Ion/LiPo oft im Vorteil, weil pro Gramm und pro Kubikzentimeter mehr Energie verfügbar ist. Das kann ein harter Faktor sein: Mehr Energie bedeutet entweder längere Laufzeit oder kleinere Bauform bei gleicher Laufzeit. LiFePO4 kann hier zwar mithalten, benötigt aber häufig mehr Platz für denselben Energieinhalt.

• Li-Ion/LiPo: Sehr gut für kompakte Geräte mit hoher Laufzeit.
• LiFePO4: Sehr gut für stationäre oder robuste Designs, bei denen Volumen weniger kritisch ist.

Ruhestrom und Deep Sleep: Der Batterie-Typ ist nur die halbe Wahrheit

In Ultra-Low-Power-ESP32-Projekten bestimmt häufig der Ruhestrom der gesamten Schaltung (Regler, Sensoren, Pullups, LEDs, USB-UART) die Laufzeit stärker als die Batteriewahl. Ein „besserer“ Akku kann durch schlechte Hardware leicht neutralisiert werden. Die effektivste Strategie ist daher: erst Ruhestrom messen und reduzieren, dann Batterie wählen und dimensionieren.

• DevBoards vermeiden: Viele sind nicht für µA-Ruheströme gebaut.
• Sensoren power-gaten: Peripherie im Sleep wirklich abschalten.
• Regler wählen: Low-Iq ist für Deep Sleep entscheidend.
• Messung: Ruhestrom in der Schlafphase ist die wichtigste Kennzahl.

Laufzeit abschätzen: Von Wh zur Betriebszeit

Eine pragmatische Laufzeitrechnung nutzt Energie in Wh und den mittleren Leistungsbedarf. Wenn Ihr System eine mittlere Leistung P_avg (W) hat und die Batterieenergie E (Wh), ergibt sich die Laufzeit T in Stunden näherungsweise als:

$T\approx \frac{E}{\mathrm{P\_avg}}$

Für ein ESP32-Sensorknoten-Profil ist P_avg oft schwer zu schätzen, weil Peaks kurz sind. Deshalb ist eine Duty-Cycle-Betrachtung sinnvoll: Aktivstrom für eine kurze Zeit plus Schlafstrom für lange Zeit. Diese Methodik hilft Ihnen unabhängig von LiFePO4 oder Li-Ion, realistische Entscheidungen zu treffen.

Typische Einsatzszenarien: Welche Batterie passt zu welchem ESP32-Projekt?

Die Wahl wird deutlich einfacher, wenn Sie vom Anwendungstyp ausgehen. Nicht jede ESP32-Anwendung hat dieselben Prioritäten: Manchmal zählt maximale Laufzeit pro Volumen, manchmal Sicherheit und Zyklenfestigkeit, manchmal Temperaturrobustheit.

• Solar-Sensor im Gartenbau: Häufig LiFePO4 wegen Teilzyklen, Robustheit und Langzeitbetrieb – vorausgesetzt, Ladeelektronik ist passend.
• Mobiles Handgerät/Wearable: Oft LiPo/Li-Ion wegen Energiedichte und flacher Bauform.
• Smart-Home-Sensor mit seltenen Wake-ups: Beide möglich; häufig entscheidet Verfügbarkeit eines geeigneten Low-Iq-Reglers und die Gehäusegröße.
• Outdoor bei Kälte: Zellqualität, Innenwiderstand und Peak-Fähigkeit sind wichtiger als das Etikett; LiFePO4 ist oft robust, aber muss korrekt ausgelegt werden.
• Unbeaufsichtigte Installation (Sicherheit im Fokus): LiFePO4 ist häufig die konservative Wahl, kombiniert mit sauberer Schutzschaltung.

Checkliste für die Entscheidung: LiFePO4 vs. Li-Ion für den ESP32

• Platz/Weight-Limit? Wenn ja, spricht viel für Li-Ion/LiPo.
• Viele Ladezyklen (Solar, Harvesting)? Häufig Vorteil LiFePO4.
• Temperatur- und Sicherheitsanforderungen hoch? LiFePO4 ist oft die konservativere Wahl.
• Ladeelektronik vorhanden? Li-Ion-Lader sind sehr verbreitet; LiFePO4 braucht passende Ladeendspannung.
• Reglerarchitektur klar? Effiziente 3,3-V-Versorgung ist Pflicht, besonders bei WLAN-Peaks.
• Ruhestrom gemessen? Ohne Messung riskieren Sie Fehlentscheidungen – unabhängig vom Batterietyp.

Outbound-Links zu relevanten Informationsquellen

• Battery University: Praxiswissen zu Akkutypen, Alterung und Sicherheit
• PV Education: Grundlagen zu Solarenergie und Ertrag
• PV Education: MPPT verständlich erklärt (relevant für Solar-Ladesysteme)
• ESP-IDF: Sleep Modes (Deep Sleep als Schlüssel zur Laufzeit)
• ESP-IDF Programmierhandbuch (Stromspar- und Systemgrundlagen)

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