De techniek van de ijzerfosfaat- of LFP-accu

Momenteel zijn accu's met een NCA (lithium nikkel kobalt aluminiumoxide)- en NMC (lithium nikkel mangaan kobaltoxide)-kathode nog alleenheerser. LFP gold lange tijd als minderwaardig ten opzichte van de nikkelkathodes, maar dat lijkt te veranderen. LFP heeft een lagere energiedichtheid, maar is goedkoper te produceren. Daarnaast vereist het minder omstreden grondstoffen zoals kobalt, en heeft het een lagere milieu-impact. Tot nu toe gebruikten vooral Tesla en BYD LFP-accu's, maar ook merken als Volkswagen, BMW, Mercedes, Rivian en Ford lijken plannen te hebben om ze in de nabije toekomst te gebruiken, te beginnen met de kleinere modellen. De opmars van LFP zou het proces van dalende EV-prijzen wel eens kunnen versnellen. Dit soort auto’s kan zo binnen enkele jaren goedkoper in aanschaf worden dan de brandstofauto. Vooral voor het instapsegment biedt dit kansen.

We kijken hier naar de techniek 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 nu het meest gebruikt.

Momenteel is een transitie gaande van NMC523 naar 622 en 811. De cijfers achter NMC geven de verhoudingen aan tussen de metalen. Daarbij valt direct op dat de hoeveelheid kobalt minder wordt, en ter compensatie groeit het aandeel nikkel. 

De winning van kobalt staat onder druk. De oorzaak hiervoor ligt in enerzijds de toenemende schaarste door de exponentieel gestegen vraag en anderzijds in de erbarmelijke omstandigheden in een deel van de koper- en kobaltmijnen in Congo. Zo’n 10 tot 15 procent van de winning gebeurt daar zonder toezicht of regulering. Hoewel NCA- 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: de prijs, de eventuele schaarste en de controverse over de winning hebben geleid tot de opmars van een alternatief op basis van ijzer en fosfaat. Deze grondstoffen zijn veel goedkoper en zelfs in hoge mate beschikbaar.

Wat is LiFePO4 (LFP)?

De chemische reactie van een LiFePO4-cel. Bron: Saeed Sepasi/ResearchGate

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. Dat komt onder andere door de iets 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 160 Wh/kg - het gemiddelde is momenteel circa 125 Wh per kilogram tegen 260 Wh bij een NMC-cel. De capaciteit is al wel verder toegenomen. Het Chinese CATL claimt momenteel op 210 Wh/kg te zitten voor zijn nieuwste LFP-cellen, maar moderne NMC-cellen zitten al boven de 300 Wh/kg. Behalve van CATL zijn de meeste LFP-accupacks afkomstig van BYD. De merendeel van de 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 in de wereld nu LFP-accu's. Analisten verwachten dat de populariteit ergens tussen 2026 en 2028 die van de nu veelgebruikte NMC-cellen zal overtreffen. En denk je dat LFP een nieuwe technologie is? Dan moeten we je corrigeren. 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 bij het streven om de LFP-accu op de markt te brengen. Dit werd opgelost door de LiFePO4-deeltjes te verkleinen en te coaten met geleidende materialen zoals koolstofnanobuisjes.

Lagere kosten voor de LFP-accu

LFP gebruikt geen nikkel en kobalt. Beide grondstoffen zijn relatief schaars, dus duur, en controversieel. Zo komt het merendeel van het kobalt uit Congo als bijproduct van koper. Nikkel komt voor een groot deel uit Rusland. Het voornaamste bestanddeel van LFP is ijzer. Dat is wereldwijd royaal beschikbaar en wordt ook al decennialang gerecycled. Zo wordt meer dan 99 procent van het staal van auto's opnieuw gebruikt; bij gebouwen is dat circa 85 tot 94 procent. Desondanks is ook de productie van staal vervuilend. De winning en verwerking van ijzererts leveren bijna evenveel CO2-uitstoot op als aardgas, omdat ze op enorme schaal gebeuren. Denk aan gemiddeld 330 kg staal per EU-inwoner per jaar.

Fosfaat wordt gevonden in de Verenigde Staten, China en het westelijk deel van de Sahara. Het is samen met nitraten het belangrijkste bestanddeel voor kunstmest. Volgens schattingen zijn er nog voldoende voorraden voor 70 tot 100 jaar. De toenemende populariteit van LFP-accu's voor auto’s en stationaire opslag (bijvoorbeeld voor huizen) kan daar invloed op hebben. De Europese Commissie noemt fosfaat dan ook een kritieke grondstof.

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. Het praktijkbereik kan dan wat lager liggen dan gemiddeld, denk aan 200 tot 350 km. Toch zal dit voor veel situaties afdoende zijn. 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.

Stabiliteit van de accu

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. Cellen met LFP vliegen daardoor minder snel in brand als er 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. Solid State-accu's zijn nóg veiliger, doordat deze in plaats van een brandbaar vloeibaar elektrolyt een niet-brandbare vaste stof gebruiken.

Levensduur: meer laadcycli voor LFP

Levensduur LFP-cellen (blauw) versus NMC (zwart) en NCA (rood) volgens aantal volledige 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 1.000 tot 2.300 cycli, laten LFP-cellen zich 3.000 tot 5.000 keer op- en ontladen, met uitschieters naar 10.000 keer. Er is hierbij niet gekeken naar de leeftijd van de accucellen. 

EV's met LFP-accu's rijden nog minder lang rond, dus in de praktijk moet de capaciteit door veroudering zich nog laten zien. Er zijn bovendien 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 250.000 km op de teller hebben meestal nog meer dan 90 procent accucapaciteit over, dus als we die lijn doortrekken, is een levensduur van 500.000 km goed denkbaar. Het is dus mogelijk dat LFP-accu's nóg langer meegaan.

Volgens Paul Gasper, stafwetenschapper bij het National Renewable Energy Lab in de VS, heeft LFP niet altijd een betere levensduur 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 elektrische auto’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 batterijmanagementsysteem dan door achteruitgang van de accu."

Tot 100 procent laden mogelijk

Een praktisch voordeel is dat LFP-cellen op dagelijkse basis tot 100 procent kunnen worden opgeladen. Dit wordt zelfs aangeraden door autofabrikanten. Ook ontladen tot 0 procent is minder problematisch. Bedenk dat voor EV's met NMC- en NCA-cellen wordt 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. Hieronder vind je 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 602 km. De standaardversie, met LFP-cellen, komt 491 km ver volgens die norm. Als we echter 90 procent van 602 nemen, komt het WLTP-bereik uit op 542 km. Het verschil is dan dus zo'n 50 km in het voordeel van de duurdere Model 3 en voor de Model Y is dit vergelijkbaar. Hoewel het natuurlijk per situatie verschilt, is 50 km extra bereik, dus 10 procent van het geheel, verwaarloosbaar klein. Zeker als je het prijsverschil van €8.000 (juni 2023) erbij betrekt.

Het verschil in bereik tussen de Tesla Model 3 met LFP- en die met NMC-accucellen is beperkt, doordat de auto met LFP-accu tot 100 procent geladen wordt.

Het advies om de LFP-accu vol te laden heeft een praktische reden. Gasper: "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 (state of charge), 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."

Energiedichtheid

Zoals eerder genoemd is het voornaamste nadeel van LFP-cellen de lagere energiedichtheid. Ten opzichte van NMC-cellen is die 15 tot 35 procent lager. Dat betekent dat een LFP-accu wat zwaarder is dan een NMC-versie met een gelijk aantal kWh. Een andere factor om rekening mee te houden is dat er meer cellen nodig zijn om tot een spanning van 400 of 800 V te komen, aangezien een LFP-cel gemiddeld op 3,2 V werkt in plaats van op 3,6 V.

Het hogere gewicht hoeft geen grote factor te zijn, mits de accucapaciteit niet heel hoog hoeft te zijn en er voldoende ruimte beschikbaar is. De energiedichtheid van LFP is op celniveau altijd lager per gram dan die van NMC. 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 doordat LFP-cellen vaak plat zijn, waardoor er minder open ruimte is dan bij cilindrische cellen.

De eerder aangehaalde standaardversie van de Model 3 gebruikt een LFP-accu van 60 kWh waarvan 57 kWh effectief bruikbaar is. Deze auto weegt ongeveer 1.645 kg. De Long Range-versie met vierwielaandrijving heeft een 82-kWh accu waarvan 77 kWh effectief bruikbaar is en weegt 1.847 kg. 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 75-kWh accu met LFP-cellen die eventueel vervangen kan worden door een 100-kWh 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 175 kW begint en al snel met een evenredige lijn naar beneden gaat. Met een soc van 60 procent is de laadsnelheid nog zo'n 70 kW, terwijl de NMC LR-versie dan nog rond de 110 kW zit. Bij de LR-versie begint het vermogen rond de 180 kW bij een 300 kW-lader van Fastned en loopt dit vervolgens nog op tot net geen 200 kW 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 38 kW.

Hoewel dit laadvermogen bovengemiddeld is ten opzichte van andere EV's in dit prijssegment, kost het laden van de basisversie Model 3 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 ook 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. Illustratie: Fastned.

Marktontwikkelingen met LFP-accu’s

Analisten en onderzoekers verwachten dat LiFePO4-cellen in de toekomst steeds vaker worden gebruikt. Dit komt vooral door de lagere productiekosten, de overvloed aan materialen, de lange levensduur en de veiligheid door betere thermische stabiliteit. Je gaat ze vinden in elektrische personenauto’s en busjes, net als in stationaire energieopslag. Denk daarbij aan thuis-, buurt- en bedrijfsaccu's, schepen en robotica.

Toch komt de grootste groei van de EV-markt, die volgens marktonderzoeker Wood Mackenzie goed is voor 80 procent van de vraag. De totale markt zou rond 2030 goed zijn voor een capaciteit van 3 TWh, waarvan LFP dan het grootste marktaandeel zou hebben. 

Intussen wordt in Europa 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 met de Finnish Minerals Group vergelijkbare plannen.

Ook in een recent doctoraal proefschrift over de transitie naar elektrische voertuigen en de uitdagingen en kansen vanuit een lifecycleperspectief komen LFP-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 gebruik maken van nieuwe varianten van de NMC-cellen, al dan niet in combinatie met nieuwe innovaties als siliciumanodes en solidstate.

Bron: Dit artikel is (deels) gebaseerd op dit artikel van Tweakers dat in meer detail ingaat op de werking van lithiumijzerfosfaataccu's.