De accumarkt staat aan de vooravond van een grote verschuiving. De lithiumijzerfosfaataccu, ook bekend als LiFePO4 of LFP, zal volgens analisten rond 2030 dominant zijn. Niet alleen voor EV's, maar ook voor bufferopslag, zoals met thuisaccu's. Momenteel zijn accu's met een NCA- en NMC-kathode daar nog alleenheerser, maar hoewel LFP lange tijd als inferieur werd beschouwd ten opzichte van de nikkelkathodes, lijkt het tij nu te keren. LFP heeft weliswaar een lagere energiedichtheid, maar is goedkoper te produceren, vereist minder omstreden grondstoffen, zoals kobalt, en heeft dus een lagere milieu-impact. Tot nu toe gebruikten vooral Tesla en BYD LFP-accu's, maar ook Volkswagen, BMW, Mercedes, Rivian en Ford lijken plannen te hebben om ze in de nabije toekomst te gaan gebruiken. De opmars van LFP zou het proces van dalende EV-prijzen weleens kunnen versnellen, waardoor dit soort wagens binnen enkele jaren goedkoper in aanschaf worden dan brandstofauto's. Vooral voor het instapsegment zou dit kansen bieden en volgens recente onderzoeken kunnen ze zelfs een langere levensduur hebben dan andere EV-accu's.
:fill(white):strip_exif()/i/2005585234.jpeg?f=imagemedium)
In dit artikel bekijken we de chemische samenstelling van LFP-accu's in vergelijking met NCA/NMC. Daarnaast gaan we in op de kosten, de grondstoffen, de veiligheid en de verwachte levensduur, maar ook op de minpunten, zoals de lagere energiedichtheid.
Huidige accuchemie: NCA en NMC
Een accu bestaat uit vier componenten: de kathode, de anode, het elektrolyt en een membraan als separator. De naam van de chemische samenstelling van een accu is meestal gebaseerd op de kathode, omdat de anode doorgaans van grafiet is. Op dit moment zijn accu's met een NCA- of NMC-kathode het populairst. De letters NCA staan voor respectievelijk nikkel, kobalt en aluminium, en NMC voor nikkel, mangaan en kobalt. Van de twee wordt NMC momenteel het meest gebruikt, waarbij de samenstelling in cijfers wordt uitgedrukt.
Momenteel is een transitie gaande van NMC523 naar 622 en 811. Daarbij valt direct op dat de hoeveelheid kobalt steeds verder wordt verminderd, wat gecompenseerd wordt door meer nikkel toe te voegen. Zoals bekend staat de winning van kobalt onder druk, door enerzijds toenemende schaarste door de exponentieel gestegen vraag en anderzijds erbarmelijke omstandigheden in een deel van de koper- en kobaltmijnen in Congo. Circa 10 tot 15 procent van de winning daar gebeurt zonder toezicht of regulering. Hoewel NCA's en NMC-accu's dus per cel steeds minder kobalt gebruiken, dreigt er door de exponentiële vraag naar accu's voor auto's, vrachtwagens en bufferopslag op lange termijn een tekort. Bovendien is de prijs van lithium en nikkel in de afgelopen jaren gestegen, hoewel er recent weer sprake is van een daling. Deze drie zaken: de prijs, de eventuele schaarste en controverse over de winning, hebben geleid tot de opmars van een alternatief op basis van ijzer en fosfaat. Deze grondstoffen zijn veel goedkoper en verre van zeldzaam.
:strip_exif()/i/2005581698.jpeg?f=imagenormal)
Wat is LiFePO4 (LFP)?
Een lithiumijzerfosfaataccu gebruikt een grafiet-koolstofanode en een kathode van lithium, ijzer en fosfaat. De energiedichtheid van LFP-accu's is wat lager dan die van de gebruikelijkere NCA- en NMC-accu's, wat onder andere te maken heeft met de lagere spanning. Een NMC-cel werkt meestal op 3,6V en een LFP-cel op 3,2V. De capaciteit van een LFP-accu varieert van 90 tot 160Wh/kg - het gemiddelde is momenteel circa 125Wh per kilogram ten opzichte 260Wh bij een NMC-cel. De capaciteit is wel steeds verder toegenomen. Het Chinese CATL claimt momenteel op 210Wh/kg te zitten voor zijn nieuwste LFP-cellen, maar moderne NMC-cellen zitten al boven de 300Wh/kg. Behalve van CATL zijn de meeste LFP-accupacks afkomstig van BYD. De meeste LFP-accu's worden dan ook geproduceerd in China; het marktaandeel van deze chemie is daar circa 50 procent.
Naar verluidt bevat 30 procent van de huidige EV's wereldwijd nu LFP-accu's, maar analisten verwachten dat de populariteit ergens tussen 2026 en 2028 die van de nu veelgebruikte NMC-cellen zal overtreffen. Toch is LFP allesbehalve een nieuwe technologie. John B. Goodenough, mede-uitvinder van de lithium-ionaccu, constateerde al in 1996 dat deze chemische samenstelling interessant was, mede vanwege de lage kosten, de niet-giftigheid, de natuurlijke overvloed aan ijzer en de thermische stabiliteit. Aanvankelijk was de relatief lage elektrische geleidbaarheid een knelpunt om dit accutype te vercommercialiseren, maar dit werd opgelost door de LiFePO4-deeltjes te verkleinen en te coaten met geleidende materialen zoals koolstofnanobuisjes.
Lagere kosten
Grondstoffen: ijzer en fosfaat
LFP gebruikt geen nikkel en kobalt. Dat is een enorm voordeel, want beide grondstoffen zijn relatief schaars, dus duur, en controversieel. Zo komt het merendeel van het kobalt uit Congo, als bijproduct van koper, en komt nikkel voor een groot deel uit Rusland. Het voornaamste bestanddeel van LFP is ijzer. IJzer is wereldwijd royaal beschikbaar en wordt ook al decennia gerecycled. Zo wordt meer dan 99 procent van het staal van auto's opnieuw gebruikt en is dat bij gebouwen circa 85 tot 94 procent. Desondanks is ook de productie van staal uiteraard vervuilend.
De winning en verwerking van ijzererts leveren bijna evenveel CO2-uitstoot op als aardgas, omdat ze op een enorme schaal gebeuren. Iedere dag wordt er voor meer dan duizend Eiffeltorens aan staal gebruikt, goed voor gemiddeld 330kg staal per EU-inwoner per jaar.
Fosfaat wordt gevonden in de Verenigde Staten, China en het westelijk deel van de Sahara. Het speelt een belangrijke rol in de voedselvoorziening, doordat het samen met nitraten het belangrijkste bestanddeel voor kunstmest vormt. Volgens schattingen zijn er nog voldoende voorraden voor 70 tot 100 jaar, maar de toenemende populariteit van LFP-accu's voor mobiliteit en stationaire opslag kan daar invloed op hebben. De Europese Commissie noemt fosfaat dan ook een kritieke grondstof.
Zoals genoemd heeft lithiumijzerfosfaat diverse voordelen ten opzichte van de gangbaardere NCA- en NMC-kathodes in accu's, waaronder de lagere kosten en toegankelijkere grondstoffen. IJzer is wereldwijd breed beschikbaar en wordt al in grote hoeveelheden gewonnen. Bovendien is het uitstekend recyclebaar, wat ook al vele jaren in de praktijk wordt toegepast (zie kader).
Verwacht wordt dat de lagere kosten de prijs per kWh sneller omlaag zullen brengen, waar bepaalde typen voertuigen van profiteren. Denk bijvoorbeeld aan busjes en kleine en middelgrote personenwagens aan de onderkant van de markt, voor een lagere prijs dan nu het geval is. Het praktijkbereik kan dan wat lager liggen dan gemiddeld, denk aan 200 tot 350km, maar is voor veel situaties afdoende. Ook voor stationaire opslag, zoals thuis- en buurtaccu's, zijn LFP-accu's interessant, vanwege de lagere kostprijs. Medio 2020 lag de prijs voor LFP-cellen in China op 80 Amerikaanse dollar per kWh, wat toen iets meer dan de helft was van de gebruikelijke NMC-cellen.
Thermische en chemische stabiliteit
LFP-cellen zijn ook iets veiliger dankzij de thermische en chemische stabiliteit. Het kathodemateriaal is beter bestand tegen oververhitting en kortsluiting doordat de zuurstofatomen langzamer vrijkomen. Ze vliegen dus minder snel in brand als de cellen openbreken. Er blijft ook geen lithium achter in de kathode van een volledig opgeladen LFP-cel en extreem hoge temperaturen leiden minder snel tot ontbinding. Ook zijn de gebruikte materialen minder giftig. Solidstate-accu's zijn nóg veiliger, doordat deze in plaats van een brandbaar vloeibaar elektrolyt een niet-brandbare vaste stof gebruiken.
Levensduur: meer laadcycli
Hoewel LFP vaak genoemd wordt vanwege de kosten en grondstoffen, lijkt ook de levensduur betere kaarten te hebben. Waar NMC-cellen gemiddeld goed zijn voor 1000 tot 2300 cycli, laten LFP-cellen zich 3000 tot 5000 keer opnieuw op- en ontladen, met uitschieters naar 10.000 keer. Dat blijkt althans uit labtests op basis van commercieel verkrijgbare cellen. En nog alleen aan de hand van cycli, dus niet op basis van leeftijd. Het wil dus niet zeggen LFP-cellen per definitie een langere levensduur hebben.
Er rijden minder lang EV's met LFP-accu's rond, dus de praktijk moet dit nog laten zien. Bovendien zijn er veel variabelen, zoals verschillende NMC-samenstellingen en verschillende soorten grafiet voor de anode. Dankzij vloeistofkoeling en een uitgekiend accumanagementsysteem, of bms, dat alle packs monitort, laten NMC-cellen op het vlak van veroudering niet echt steken vallen. Oude Tesla Model S'en met meer dan 250.000km op de teller hebben meestal nog meer dan 90 procent accucapaciteit over, dus als we die lijn doortrekken, is een levensduur van 500.000km goed denkbaar. Het is dus mogelijk dat LFP-accu's nóg langer meegaan.
:strip_exif()/i/2005584160.jpeg?f=imagenormal)
Bron: Degradation of Commercial Lithium-Ion Cells as a Function of Chemistry and Cycling Conditions
Een belangrijke reden is de mechanische en chemische stabiliteit van het positieve elektrodemateriaal. Paul Gasper is stafwetenschapper bij het National Renewable Energy Lab in de VS en heeft als expertise het testen en modelleren van de levensduur van accu's. Op ons verzoek geeft hij meer duiding.
"Perovskietoxide-positieve elektroden, onder andere LCO, LMO, LNO, NMC, NMA en NCA, zetten veel meer uit en krimpen meer dan LFP bij ontlading en lading. Chemische reacties leiden na verloop van tijd tot mechanische schade, waardoor de capaciteit langzaam afneemt. Bij LFP is vrijwel geen sprake van het uitzetten of krimpen van de elektroden. Er wordt vaak aangenomen dat LFP een slechte chemische stabiliteit heeft doordat de deeltjes erg klein moeten zijn. LFP-deeltjes hebben namelijk een diameter van circa 100nm en bij NMC-deeltjes is dat circa 10 micron, dus LFP-elektroden hebben veel meer oppervlak voor het optreden van chemische reacties. We weten dit doordat je na veroudering van de cellen ijzer, opgelost uit de LFP-kathode, in de grafietelektrode kunt vinden. Dit is onder andere een reden dat LFP-cellen bij laboratoriumtests vaak een langere levensduur hebben dan NMC-cellen", aldus Gasper.
Hij voegt er wel aan toe dat er veel variabelen zijn en dat je niet simpelweg kunt stellen dat LFP altijd een betere levensduur heeft dan NMC. "In principe kan ieder type cel zo ontworpen worden dat de levensduur toeneemt." Voor auto's is het bovendien een non-issue, aldus Gasper. "De levensverwachting van EV's is goed genoeg voor alle chemieën. De levensduur van een EV-accu wordt eerder beperkt door onderdelen van matige kwaliteit, gebrekkig thermisch beheer en slechte monitoring en controle van het BMS dan door achteruitgang van de accu."
Tot 100 procent laden
Een praktisch voordeel is dat LFP-cellen op dagelijkse basis tot 100 procent mogen worden opgeladen. Dit wordt zelfs aangeraden door autofabrikanten. Ook ontladen tot 0 procent is minder problematisch. Voor EV's met NMC- en NCA-cellen wordt meestal geadviseerd deze voor dagelijks gebruik tot maximaal 80 of 90 procent op te laden en alleen tot 100 procent als dat nodig is voor een lange reis. Dit vormt in de praktijk meestal geen beperking, maar biedt wel een voordeel voor een LFP-EV. Een voorbeeld om dat te illustreren:
De Long Range-versie van de Tesla Model 3, dus met een NMC-accu en twee elektromotoren, heeft een WLTP-bereik van 602km. De standaardversie, met LFP-cellen, komt 491km ver volgens die norm. Als we echter 90 procent van 602 nemen, komt het WLTP-bereik uit op 542km. Het verschil is dan dus zo'n 50km in het voordeel van de duurdere Model 3 en voor de Model Y is dit vergelijkbaar. Hoewel het natuurlijk per situatie verschilt, is 50km extra bereik of circa 10 procent van het geheel, verwaarloosbaar klein, zeker gezien de meerprijs.
:strip_exif()/i/2005584178.jpeg?f=imagenormal)
Volgens Gasper treedt er bij NMC-cellen meer degradatie op als er boven de 85 procent geladen wordt. Dit komt onder andere door het onlangs toevoegen van extra nikkel en minder kobalt in de kathode. Daarom is het voor het verlengen van de levensduur beter om niet te vaak boven dat niveau te laden. LFP-cellen hebben daar zoals eerder beschreven minder last van, maar het advies om ze juist wel helemaal vol te laden heeft vooral een praktische reden.
Gasper: "De aanbeveling om LFP volledig op te laden is in feite gebaseerd op de schatting van de accustatus in plaats van op de levensduur. Om de actieradius van het voertuig te schatten, moet de toestand van de accu bekend zijn. Voor NMC-accu's is dit 'makkelijk' omdat de spanning steeds afneemt als je de accu ontlaadt. Dus stel dat je ontlaadt van 50 tot 30 procent soc, dan zal de spanning voortdurend afnemen. Dit creëert ook een spanningsgradiënt over parallel geschakelde cellen voor passief balanceren. LFP heeft echter een zeer vlakke spanningsrespons. Dat wil zeggen: de spanning is in principe constant over bijna het hele soc-bereik, behalve de zeer lage en hoge uiteinden. Door op te laden tot 100 procent soc, wordt de nauwkeurigheid van de schatting van de accustatus drastisch verbeterd en wordt tegelijk een spanningsgradiënt voor passief balanceren gecreëerd."
:strip_exif()/i/2005584182.jpeg?f=imagearticlefull)
Energiedichtheid
Zoals eerder genoemd is het voornaamste nadeel van LFP-cellen de lagere energiedichtheid. Ten opzichte van NMC-cellen is die zo'n 15 tot 35 procent lager. Dat betekent dat een LFP-accu wat zwaarder is dan een NMC-versie met een gelijk aantal kWh. Dat heeft een negatief effect op het energiegebruik, al is dat natuurlijk ook sterk afhankelijk van de carrosserie, de stroomlijning en de aandrijflijn van een EV. Een andere factor om rekening mee te houden is dat er meer cellen nodig zijn om tot een spanning van 400 of 800V te komen, aangezien een LFP-cel gemiddeld op 3,2V werkt in plaats van op 3,6V.
Het hogere gewicht hoeft geen grote factor zijn, mits de accucapaciteit niet heel hoog hoeft te zijn en er voldoende ruimte beschikbaar is. De energiedichtheid van LFP is op celniveau dus altijd lager per gram dan die van NMC, maar omdat er voor NMC-cellen meer veiligheidsmaatregelen nodig zijn, is het verschil in energiedichtheid op pakketniveau veel kleiner. Er passen meer of grotere cellen in een accupack, waardoor de dichtheid daar weer toeneemt. Dat komt ook omdat LFP-cellen vaak prismatisch zijn, oftewel plat, waardoor er minder open ruimte is dan bij cilindrische cellen.
De standaardversie van de Model 3 gebruikt een LFP-accu van 60kWh waarvan 57kWh effectief bruikbaar is. Deze auto weegt ongeveer 1645kg. De Long Range-versie met vierwielaandrijving heeft een 82kWh-accu waarvan 77kWh effectief bruikbaar is en weegt 1847kg. Ondanks de relatief zwaardere cellen is de standaard Model 3 dus lichter en heeft hij een lager energiegebruik. Andere autobouwers kunnen voor een vergelijkbare strategie kiezen. Autobouwer BYD doet dat al en gebruikt voornamelijk LFP-accu's. Nio gebruikt voor zijn modellen standaard een 75kWh-accu met LFP-cellen die eventueel vervangen kan worden door een 100kWh-variant met NMC-cellen in dezelfde behuizing.
Laadvermogen en -curve
De laadcurve en het maximale laadvermogen wijken wel wat af. Als we weer de Tesla Model 3 als praktijkvoorbeeld nemen plus praktijkdata van Fastned, dan zien we dat de standaard Model 3 met LFP-cellen iets onder de 175kW begint en al snel met een evenredige lijn naar beneden gaat. Met een soc van 60 procent is de laadsnelheid nog zo'n 70kW, terwijl de NMC LR-versie dan nog rond de 110kW zit. Bij de LR-versie begint het vermogen rond de 180kW bij een 300kW-lader van Fastned en loopt dit vervolgens nog op tot net geen 200kW en een soc van 40 procent. Pas daarna neemt het vermogen af. Ook op 80 procent soc is het laadvermogen nog steeds beduidend hoger: circa 60 versus 38kW.
Hoewel dit laadvermogen bovengemiddeld is ten opzichte van andere EV's in dit prijssegment, kost het laden merkbaar meer tijd dan bij de Long Range-versie. Voor incidenteel snelladen is dit 'probleem' verwaarloosbaar. Voor lange ritten, zoals bij een vakantie, kan het wel aantikken. Een LFP-accu kan iets minder goed tegen kou dan NMC, wat in die condities kan leiden tot een lager laadvermogen. Dat is overigens te verhelpen met preconditioning, waarbij de accu wordt voorverwarmd.
De laadcurve van de Tesla Model 3 LFP versus de Long Range NMC
Tot slot
Analisten en onderzoekers verwachten dat LiFePO4-cellen in de toekomst steeds vaker worden gebruikt, vooral vanwege de lagere productiekosten, de overvloed aan materialen, de lange levensduur en de veiligheid door betere thermische stabiliteit. Niet alleen in elektrische personenwagens en busjes, maar ook in stationaire energieopslag, zoals thuis-, buurt- en bedrijfsaccu's. Een hoge energiedichtheid is daarbij minder van belang, maar kosten en een lange levensduur zijn dat des te meer. Verder worden LFP-accu's steeds vaker gebruikt in schepen, robotica en industriële voertuigen.
Toch komt de grootste groei van de EV-markt, die volgens marktonderzoeker Wood Mackenzie goed is voor 80 procent van de vraag. Men verwacht dat er wereldwijd steeds meer beleid komt rondom emissieloos transport en daarnaast stijgen de brandstofprijzen. De totale markt zou rond 2030 goed zijn voor een capaciteit van 3TWh, waarvan LFP dan het grootste marktaandeel zou hebben. Analisten van UBS stelden hun verwachtingen vorig jaar ook al naar boven bij, maar komen uit op circa 40 procent. Ze denken dat dit mede afhangt van de nikkelprijs. Op het moment van schrijven was die zo'n 28.000 dollar. UBS verwacht dat LFP kostentechnisch interessanter is boven de 20.000 dollar per ton en dat NMC marktaandeel zal terugwinnen als de prijs daar weer onder komt, wat niet ondenkbaar is. Ook in Europa wordt gewerkt aan de productie van LFP-accu's. Zo is het Belgische Umicore ermee bezig, wil het Servische ElevenEs een Europese 'gigafactory' voor LFP-cellen bouwen en heeft de Noorse start-up Freyr vergelijkbare plannen.
Ook in een recent doctoraal proefschrift over de transitie naar elektrische voertuigen en de uitdagingen en kansen vanuit een lifecycleperspectief komen LPF-accu's uitgebreid aan bod. Chengjian Xu, eind december 2022 gepromoveerd aan de Universiteit van Leiden, gaat ervan uit dat LFP-accu's met 129 Wh/kg op pakketniveau en een levensduur van twintig jaar, tussen 2030 en 2050 een marktaandeel van 60 procent zullen hebben. De rest van de markt zal dan gebruikmaken van nieuwe varianten van de NMC-cellen, al dan niet in combinatie met nieuwe innovaties als siliciumanodes en solidstate.
Serie
Dit artikel is onderdeel van een reeks over accutechnologie, waarin telkens een bepaalde samenstelling wordt besproken, inclusief de stand van zaken.
Lithiumijzerfosfaat (LiFePO4)
Solid state
Siliciumanode (Si)
Natrium in plaats van lithium (Na)
Zwavel (NaS, LiS)