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 hebben plannen 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.
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.
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.
Een lithiumijzerfosfaataccu gebruikt een grafiet-koolstofanode (de minpool) en een kathode van lithium, ijzer en fosfaat (de pluspool). 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. Een LFP-accu heeft een gemiddelde capaciteit van 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 LFP-cellen, maar de nieuwste NMC-cellen zitten al boven de 300Wh/kg. Behalve van CATL zijn de meeste LFP-accupacks afkomstig van ByD en Tesla. 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 werkt opgelost door de LiFePO4-deeltjes te verkleinen en te coaten met geleidende materialen zoals koolstofnanobuisjes.
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.
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.
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.
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 Source: Tweakers.net