In januari 2023 publiceerden we een achtergrondartikel over lithium-ijzer-fosfaataccu's (lfp of LiFePO4). Dit type accu bestaat al lang, maar werd lange tijd niet als volwaardig alternatief gezien voor de veelgebruikte nmc-accu's die momenteel veel in producten worden gebruikt, inclusief smartphones en EV's. De lagere energiedichtheid werd altijd als struikelblok gezien, maar de laatste jaren is dat veranderd. Steeds meer autofabrikanten gebruiken lfp-accu's, meestal in hun instapmodellen met een lager bereik dan de 'long range'-versies. Ondanks die lagere energiedichtheid heeft een lfp-accu grote voordelen: er wordt geen nikkel en kobalt gebruikt, waardoor de accu veel goedkoper te produceren is. Ook het aantal cycli, oftewel de levensduur, is significant hoger dan die van nmc-cellen, zoals uitgebreid beschreven in ons eerdere artikel over lfp-accu's. Lfp-cellen zijn ook veiliger dankzij hun thermische en chemische stabiliteit; het kathodemateriaal is beter bestand tegen oververhitting en kortsluiting doordat de zuurstofatomen langzamer vrijkomen.
Naar verluidt bevat 30 procent van de huidige EV's wereldwijd nu een lfp-accu, maar analisten verwachten dat de populariteit ergens tussen 2026 en 2028 die van de nu veelgebruikte nmc-cellen zal overtreffen. Maar nu is er een andere concrete ontwikkeling die dit nog verder kan versnellen: Lithium Ferro Manganese Phosphate, oftewel lfmp-accucellen (LiFeMnPO4). Deze aangepaste variant ging in de tweede helft van 2023 in productie en zit zelfs al in een beperkt aantal EV's. De lfmp-accu is gebaseerd op lfp, maar dan met de toevoeging van mangaan. Dat biedt grote voordelen, zoals een oplossing voor het grootste minpunt: de lagere energiedichtheid. In dit artikel bekijken we de laatste stand van zaken, hoe dit technisch werkt en wat dit kan betekenen voor zowel de prijzen als het bereik van toekomstige EV's.
:strip_exif()/i/2006502722.jpeg?f=imagearticlefull)
Energiedichtheid en spanning
Een lithium-ijzer-fosfaataccu gebruikt een grafietanode en een kathode van lithium, ijzer en fosfaat. De energiedichtheid van een lfp-cel is ongeveer 170Wh per kg, wat een stuk lager is dan de circa 280 tot 300Wh/kg van nmc-cellen. Dat heeft onder andere te maken met de lagere spanning. Een nmc-cel werkt meestal op 3,7V en een lfp-cel op 3,2V. Lfmp-cellen zouden een spanning hebben die 0,5V hoger is dan die van LFP-cellen, oftewel 3,7V, net als nmc-cellen. Bovendien zou de elektrodepotentiaal van deze kathode theoretisch zelfs op 4,1V uit kunnen komen, wat doorgroeimogelijkheden biedt voor de nabije toekomst.
Lfp | Lfmp | Nmc | |
Chemie kathode | LiFePO4 | LiMnxFePO4 | LiNiMnCo |
Kristalstructuur | Olivijn | Olivijn |
Steenzout (gelaagd) |
Theoretische capaciteit kathode (mAh/g) | 170 | 170 | 280-300 |
Energiedichtheid op celniveau (Wh/kg) | 170 | 210-240 | 280-300 |
Operationele spanning (V) | 3,2 | 3,7 | 3,7 |
Levensduur (cycli) | 3000-8000 | ± 2000-3000 | 1000-2000 |
Elektrische geleidbaarheid (S/cm) | 10-9 | 10-3 | 10-3 |
Veiligheid | Hoog | Hoog | Gemiddeld |
Kosten | Laag | Laag | Hoog |
Bron: Mitsui & Co. Global Strategic Studies Institute
Uit de bovenstaande tabel blijkt dat de theoretische capaciteit van de kathode weliswaar hetzelfde is als die van lfp-cellen, namelijk 170mAh/g, maar de energiedichtheid op celniveau is hoger. De energiedichtheid van een batterijcel, uitgedrukt in Wh/kg, is dus niet alleen afhankelijk van de capaciteit (mAh/g), maar ook van het werkingsvoltage. Lfmp-cellen hebben door de toevoeging van mangaan aan de lfp-chemie een hogere gemiddelde spanning dan pure lfp-cellen, wat de energiedichtheid van lfmp-cellen verhoogt. Hierdoor halen de huidige cellen een energiedichtheid van 210 tot 240Wh/kg. Dat is nog altijd minder dan bij moderne nmc-cellen, maar het verschil is veel kleiner dan met de 170Wh/kg van traditionele lfp-cellen.
LiFeMnxPO4
Uit de chemische formule LiFeMnxPO4 is af te leiden uit welke grondstoffen lfmp-accu's zijn opgebouwd. Li staat voor het element lithium, Fe is het symbool voor ijzer (ook wel ferro genoemd), Mn staat voor mangaan, P duidt op fosfor en O staat voor zuurstof. De 'x' geeft aan dat de hoeveelheid mangaan in de mix kan variëren, afhankelijk van de manier waarop de accu is samengesteld. De aanwezigheid van mangaan en ijzer samen in de formule laat zien dat mangaan een deel van het ijzer vervangt in de structuur van het materiaal, wat bekendstaat als lithiumijzerfosfaat (LiFePO4). Door deze vervanging combineert het materiaal eigenschappen van zowel mangaan als ijzer. De accuchemie kan worden afgekort als lfmp of lmfp.
Mangaan: verbeterde elektrochemische prestaties
Mangaan draagt bij aan de stabiliteit van de kristalstructuur, wat kan helpen om de integriteit van het actieve materiaal tijdens cycli te behouden en de diffusie van lithiumionen te vergemakkelijken. Dit leidt tot een hogere efficiëntie en energiedichtheid op celniveau. Bovendien kan mangaan de geleidbaarheid binnen het kathodemateriaal verbeteren, wat de interne weerstand van de cel vermindert en de efficiëntie verhoogt. Ook zou de stabiliteit van de kathode tijdens herhaalde laad- en ontlaadcycli beter zijn dan bij nmc-cellen, waardoor er minder capaciteitsverlies is door degradatie. Omdat deze chemie nog vrij nieuw is, zijn uitgebreide levensduurtests nog amper beschikbaar, maar de voorlopige resultaten zijn veelbelovend. Een recent onderzoeksrapport van het Japanse Mitsui noemt een iets lager aantal cycli dan lfp, maar alsnog meer dan nmc, wat momenteel nog de gangbare chemie is voor veel EV's.
Een ander verbetering is dat lfmp een veel hogere laadsnelheid mogelijk maakt. EV's met lfp-accu's hebben doorgaans een lager maximaal vermogen waarop zij kunnen snelladen. Dat komt door een lagere elektrische geleidbaarheid en lithiumiondiffusiesnelheid ten opzichte van nmc-accu's, wat de maximale veilige laadsnelheid beperkt vanwege het risico op inefficiënte ionenoverdracht en potentiële stabiliteitsproblemen. Daarnaast speelt mee dat de lagere geleidbaarheid tot hogere interne weerstanden leidt, wat meer warmte genereert tijdens het snelladen; dit vereist extra koeling, ondanks dat lfp uitblinkt in thermische stabiliteit, wat het risico op oververhitting vermindert. De toevoeging van mangaan verandert deze situatie.
Mangaanverbindingen verhogen de elektronische geleidbaarheid, wat bijdraagt aan een efficiëntere beweging van elektronen tijdens laad- en ontlaadprocessen. Dit resulteert in een hogere laadsnelheid en betere prestaties van de batterij. Technisch gezegd: door ijzerionen in de kristalstructuur gedeeltelijk te vervangen door mangaanionen, wordt de vervorming van de kristalstructuur verminderd die normaal optreedt wanneer lithiumionen in en uit het materiaal bewegen. Dit zorgt voor een vlottere beweging van lithiumionen binnen de kristalstructuur, waardoor de accu zonder aanzienlijk capaciteitsverlies sneller kan opladen en ontladen, gedurende jaren van gebruik. Doordat mangaan van de kristalstructuur van de kathodematerialen stabiliseert, verbetert de cyclische stabiliteit van de accu. Al met al zouden lfmp-cellen hun capaciteit na honderden of duizenden laad- en ontlaadcycli beter behouden en dus een langere levensduur beloven dan nmc-cellen.
Het kristal van lithiummangaanijzerfosfaat lijkt op dat van lithiumijzerfosfaat; beide hebben een olivijnstructuur. Het grootste voordeel van deze structuur is de hoge stabiliteit. Zelfs als alle lithiumionen tijdens het opladen uit de kathode verdwijnen, stort de structuur niet in. Daarmee lijken ze op papier ongeveer even veilig als lfp-cellen. Die zijn minder brandgevaarlijk dan nmc-cellen, waardoor ze ondertussen de standaard zijn voor thuisaccu's. Los van EV's zien we lfp-cellen ook steeds vaker in vrachtwagens en bussen terug, onder andere bij het Nederlandse Ebusco. Het productieproces van lfmp lijkt veel op dat van lfp, waardoor een transitie relatief eenvoudig is.
Concrete producten
Hoewel lfmp-accu's wat aantallen en marktaandeel betreft nog in de kinderschoenen staan, lijken ze niet het zoveelste proefballonnetje te zijn dat afkomstig is uit een experimenteel lab en de komende tien jaar nog moet opschalen naar massaproductie. De productie van de cellen is halverwege 2023 al opgestart, onder andere bij het Chinese CATL, een van de grootste accuproducenten ter wereld. Accupacks met de lfmp-cellen zouden zelfs al in enkele productie-EV's zitten, althans in China. In voorafgaande jaren demonstreerden diverse accufabrikanten al prototypes. In 2014, exact tien jaar geleden, toonde BYD al een concept. Gotion bouwt sinds 2022 in de VS een accufabriek waar dit jaar onder andere lfmp-cellen moeten worden geproduceerd, maar heeft ook al twee fabrieken in China. Ook zijn er diverse andere partijen die bezig zijn met de ontwikkeling van lfmp-cellen, zoals Sunwoda, Eve Energy, CALB, SVolt en Lithitech. Dat laatste bedrijf is eigendom van CATL. Het Chinese CATL en Gotion lijken op dit moment het verst te zijn, in ieder geval op basis van hun eigen aankondigingen.
:strip_exif()/i/2006551480.jpeg?f=imagenormal)
Halverwege 2023 kondigde Gotion High Tech, waar de Volkswagen-groep een belang van 26 procent in heeft, de L600 Astroinno-lfmp-cellen officieel aan tijdens een conferentie in China. Volgens eigen zeggen zou de nieuwe accu EV's in staat stellen om 1000km op een enkele lading stroom te rijden. Volgens Executive President Cheng Qian is er tien jaar intern onderzoek gedaan naar lfmp-materiaal en zijn de uitdagingen inmiddels overwonnen. "In de afgelopen jaren is het marktaandeel lfp-accucellen sterk gegroeid, maar ondertussen is de energiedichtheid op een knelpunt gestuit. Daarom hebben we lfp-accu's ontwikkeld met mangaan als toevoeging. Onze Astroinno L600-lfmp-accucel, die alle veiligheidstests heeft doorstaan, heeft een energiedichtheid van 240Wh/kg, een volumetrische energiedichtheid van 525Wh/L en een levensduur van 4000 cycli bij kamertemperatuur en 1800 cycli bij hoge temperaturen."
Die uitspraak over 1000km vraagt overigens om enige nuance. Op zichzelf zegt dit niets zonder concrete specificaties. Immers, als je maar voldoende cellen toevoegt, haal je uiteindelijk wel eens 1000km en meer. De experimentele Mercedes-Benz Vision EQXX haalde in 2022 al een praktijkbereik van 1000km, vermoedelijk met een accupakket van ongeveer 87kWh, teruggerekend op basis van het praktijkverbruik van slechts 87Wh/km met een gemiddelde snelheid van 85km/u. Dat bereik is dus afhankelijk van meerdere factoren, zoals de mix van aerodynamica (Cw), het totale voertuiggewicht en de energiedichtheid van de accucellen. Bovendien werken bedrijven in China op basis van de CLTC om het bereik van EV's te berekenen, wat gemiddeld genomen een hoger getal oplevert dan de Europese WLTP, die al vrij optimistisch is.
Cheng zei tijdens diezelfde presentatie in 2023 dat een accupakket met lfmp-cellen een hogere dichtheid kan hebben dan een nmc-accu: "De volumetrische cel-naar-pakketverhouding is afgenomen tot 76 procent met de L600-cel en de energiedichtheid op packniveau overtreft die van NCM-cellen, met 190Wh/kg." Wat daarbij vermoedelijk meespeelt, is dat er minder brandwerende materialen nodig zijn vanwege de hogere thermische stabiliteit, waardoor de energiedichtheid op packniveau hoger uitpakt, zelfs als die op celniveau wat lager ligt.
Gotion stelt verder dat de Astroinno-modules thermische isolatiematerialen gebruiken die temperaturen tot 1200°C kunnen weerstaan en vier lagen snelle warmteafvoerkanalen bieden. Ze zouden daarom geschikt zijn om op zeer hoog vermogen te snelladen, al wordt niet gespecificeerd hoe hoog precies. Wel wordt genoemd dat een accupakket binnen 18 minuten tot 80 procent opgeladen zou kunnen worden. Op basis van de genoemde specificaties zou de accu in een EV een levensduur hebben van 869.000km als deze alleen zou worden opgeladen door snelladen en maar liefst 1,9 miljoen kilometer als alleen een 'trage' laadpaal wordt gebruikt. Opvallend is ook dat Gotion stelt dat de lfmp-cellen zo'n 5 procent goedkoper zijn dan reguliere lfp-cellen en maar liefst 20 tot 25 procent goedkoper dan nmc-cellen.
:strip_exif()/i/2006551482.jpeg?f=imagenormal)
Het Chinese CATL zou al begonnen zijn met de productie van lfmp-cellen. Volgens Chinese blogs zijn al in 2022 en 2023 de eerste productiesamples verstuurd aan autoproducenten. Hoewel de productie van de cellen al in 2023 is gestart, zou het bedrijf bezig zijn met het opschalen van de productie, de zogenaamde 'ramp-up', met het plan om de cellen ergens dit jaar grootschalig uit te leveren. In 2025 zou het bedrijf klaar zijn voor massaproductie. Er zijn tegenstrijdige geluiden over of de M3P-cellen van CATL doorontwikkelde lfp-cellen zijn of ook al mangaan bevatten. Naar verluidt zou CATL in juni 2023 deze cellen aan de Chinese Tesla-fabriek hebben geleverd en zouden er daar ook al Tesla Model 3's en Y's met M3P-accupakketten rondrijden. Volgens geruchten was het oorspronkelijke plan om de nieuwe cellen in de vernieuwde Model 3 Highland, met een aangepast in- en exterieur, op te nemen, maar waren ze niet op tijd beschikbaar. Ze zouden nu gepland staan voor de introductie van de vernieuwde Model Y die later dit jaar verschijnt, het Juniper-model. Rond dezelfde tijd zouden ze echter ook voor de Model 3 gebruikt worden. Het is nog niet duidelijk of dit alleen de in China geproduceerde Tesla's betreft of dat de cellen in de toekomst ook in de Gigafactory in Berlijn zullen worden gebruikt.
De vermeende nieuwe specificaties, eveneens nog op basis van geruchten, zijn ook interessant: een Tesla Model 3 zou met de nieuwe M3P-accu meer dan 700km ver komen. Let wel, dit is eveneens op basis van de Chinese CTLC-standaard, maar het bereik is hoger dan voorheen. Het instapmodel zou in plaats van de 60kWh-lfp-accu dan 66kWh aan capaciteit krijgen, wat het hogere bereik verklaart. Eerder stapte Tesla al over van een 55kWh- naar een 60kWh-lfp-accu voor het instapmodel, zonder significant zwaarder te worden. In de 'long range'-versie (82kWh) worden nog steeds nmc- en nca-cellen gebruikt.
:strip_exif()/i/2006502726.jpeg?f=imagenormal)
In een roadmap van CATL uit 2021 worden lfmp-cellen, aangeduid als LxFP, als opvolgers van lfp-cellen benoemd. Oorspronkelijk zou de productie al eind 2022 moeten beginnen, maar dat is dus niet gehaald. Volgens de roadmap zouden de cellen een energiedichtheid van 210 tot 230Wh/kg hebben. Ze zijn gepositioneerd onder twee variaties van nmc-cellen, die bedoeld zijn voor duurdere voertuigen met een groot bereik. Vanaf medio 2025 staan er nmc-cellen met een energiedichtheid van meer dan 400Wh/kg op het programma, onder andere dankzij de toevoeging van silicium aan de anode. Dat laatste gaat overigens ook gebeuren voor lfp-cellen, waardoor de energiedichtheid nog verder zal toenemen.
Een auto die zeker is uitgerust met de nieuwe M3P-cellen van CATL, is de Chery Luxeed S7, die ontwikkeld is in samenwerking met Huawei. Chery is in Europa een onbekend automerk, maar is in China een van de grootste spelers op de markt. De Luxeed S7 is een sedan met 800V-accuarchitectuur en een startprijs in China van 35.000 dollar voor de 550km-versie en zo'n 50.000 dollar voor het 855km-model (beide volgens de CLTC). Dit model onderscheidt zich ook door het laadvermogen: binnen 5 minuten zou er 215km aan bereik kunnen worden toegevoegd en in 15 minuten zelfst 430km (nog steeds op basis van de CLTC). De wagen wordt op dit moment mondjesmaat al uitgeleverd in China, maar is wat vertraagd ten opzichte van eerdere ambities.
CATL levert ook accu's aan VW, BMW, Ford en de Geely-groep (Volvo, Polestar en Zeekr), maar het is onduidelijk of zij de nieuwe cellen gaan gebruiken.
:strip_exif()/i/2006502728.jpeg?f=imagenormal)
Toekomst
Een recent rapport over lfmp-accu's van het Japanse Mitsui is bijzonder positief over de toekomst van deze accu's: "De toevoeging van mangaan leidt tot een hogere energiedichtheid dan lfp, terwijl de kosten en veiligheidsniveaus vergelijkbaar blijven. In China, waar lfp-accu's al in 60 procent van alle EV's zitten, winnen initiatieven voor massaproductie van lfmp-batterijen aan momentum."
:strip_exif()/i/2006556546.jpeg?f=imagearticlefull)
Er wordt verwacht dat lfmp-accu's vooral in instap- en middenklasse-EV's gebruikt zullen worden en dat het gebruik ervan snel zal toenemen: "Het marktaandeel zal naar verwachting toenemen naarmate ze zich onderscheiden van de huidige reguliere lfp- en ternaire lithiumion-nmc-accu's. Chinese fabrikanten van kathodematerialen voor batterijen zijn al druk bezig om hun productiecapaciteit uit te breiden ter voorbereiding op de massaproductie van lfmp-kathodematerialen. Dynanonic, dat gespecialiseerd is in nanoschaaltechnologie, plant om de productiecapaciteit uit te breiden van de huidige 110.000 ton per jaar, een van de hoogste volumes in China, naar 440.000 ton tegen 2025. In juli 2022 kondigde kathodefabrikant Ronbay Technology aan zijn jaarlijkse productiecapaciteit, via de overname van SKLD, uit te breiden naar 300.000 ton tegen 2025. CATL, 's werelds grootste batterijfabrikant, heeft ook een honderdprocentaandeel verworven in Lithitech." Het rapport benoemt dat het Chinese onderzoeksbureau Gaogong Industry Institute verwacht dat het volume van lfmp-kathodemateriaal in China zal verhonderdvoudigen rond 2025.
Hoewel lfmp-cellen vooral door Chinese bedrijven worden ontwikkeld, zijn er ook andere internationale spelers mee bezig. Het Japanse Taiheiyo Cement wil in 2025 met de massaproductie beginnen. In Australië heeft VSPC7 een prototypecel ontwikkeld met een energiedichtheid van 236Wh/kg; deze zal naar verwachting medio 2027 geschikt zijn voor commercialisering. Het Zuid-Koreaanse SK-on kondigde begin dit jaar een nieuwe lfp-cel aan die zou voorzien in een 20 procent hogere energiedichtheid, 16 procent sneller laden en een betere koubestendigheid. Hoewel het om een lfp-cel gaat, komen de verbeterde specificaties overeen met die van lfmp-cellen. Massaproductie en levering aan automakers, waaronder Ford, zou in 2026 van start gaan. Het eveneens Zuid-Koreaanse Samsung SDI kondigde eind vorig jaar aan om in de nabije toekomst lfmp-cellen te gaan produceren, onder andere in een nieuwe fabriek in de VS.
Ook in Europa zijn er activiteiten op dit vlak, zij het beperkt. In Servië gaat het bedrijf ElevenEs in samenwerking met InnoEnergy op korte termijn lfp-accu's produceren. Het bedrijf begint mogelijk dit jaar nog met een capaciteit van 8GWh, wat moet worden uitgebreid tot 16GWh. Dat is voldoende voor meer dan 300.000 elektrische voertuigen per jaar.
:strip_exif()/i/2006556548.jpeg?f=imagenormal)
Luke Bates, Automotive Trend Strategist bij het Britse APC, dat onderzoek doet naar voertuigen op waterstof en verschillende accusoorten, sprak hoge verwachtingen uit in het onderzoek. "Momenteel hebben autofabrikanten een voorkeur voor nmc-accu's, maar naar verwachting zal lfmp rond 2030 de geprefereerde keuze worden. Dit komt door de combinatie van de laagste kosten en minimale gevoeligheid voor schommelingen in de prijzen van grondstoffen, terwijl toch een actieradius van tegen de 500km wordt bereikt. Onze analyse onderstreept dat een lfmp-accu in 2030 op meerdere vlakken uitblinkt: niet alleen qua kosten en het bieden van een ruime actieradius, maar ook vanwege de beperkte onzekerheid over toekomstige kosten door de minder kritische grondstoffen. Hoewel batterijen op basis van hoognikkel-nmc nog steeds aanzienlijk lichter zullen zijn bij het opslaan van dezelfde hoeveelheid energie, maakt hun sterke afhankelijkheid van de fluctuerende prijzen van nikkel en kobalt ze minder aantrekkelijk, zeker voor fabrikanten die werken met krappe winstmarges."
Conclusie
Eerder in deze reeks
Lithiumijzerfosfaat (LiFePO4)
Solid state
Siliciumanode (Si)
Natrium in plaats van lithium (Na)
Zwavel (NaS, LiS)
Flowcellen
Ondanks de oorspronkelijk lagere energiedichtheid van lfp-cellen in vergelijking met de veelgebruikte nmc-cellen, winnen ze aan populariteit door hun lagere productiekosten, langere levensduur en hogere veiligheid dankzij de betere thermische stabiliteit. Ook bieden ze een belangrijk geopolitiek voordeel: grondstoffen zoals nikkel en kobalt zijn niet meer nodig; die zijn binnen de EU niet of nauwelijks beschikbaar en de prijs ervan fluctueert flink. Vandaar dat we de laatste jaren al een stevige opmars van lfp-cellen zagen. Onder andere Tesla, Volvo, Ford, Stellantis en vrijwel alle Chinese automerken gebruiken ze al of hebben aangekondigd dat binnenkort te gaan doen.
Bij lfmp wordt mangaan toegevoegd aan de combinatie van lithium, ijzer en fosfaat, wat van grote toegevoegde waarde lijkt te zijn. De productiecellen bieden op celniveau een beduidend hogere energiedichtheid dan lfp-cellen met betere prestaties en tegen nagenoeg dezelfde of zelfs lagere kosten. Dit maakt lfmp-cellen een aantrekkelijke optie voor toekomstige EV's. De productie van lfmp-cellen is al gestart en de eerste EV's uitgerust met deze accu's komen eraan. Hoewel de energiedichtheid op celniveau lager is dan de huidige nmc-cellen, lijkt dat op pakketniveau min of meer hetzelfde te zijn.
De toekomst moet uitwijzen wat dat betekent. Vermoedelijk blijven nmc-cellen een belangrijke rol spelen voor voertuigen en producten waarbij een zo laag mogelijk gewicht wenselijk is, maar het lijkt aannemelijk dat lfp- en lfmp-cellen door de genoemde voordelen een steeds grotere rol zullen spelen. Hoewel het aantal lfmp-voertuigen en producten momenteel nog zeer beperkt is en we dus een slag om de arm moeten houden, lijkt deze chemische samenstelling op papier het beste van beide werelden te combineren.