LFP-batterier på gång, igen

I gårdagens nyhetsbrev skrev vi om Li-jonbatterier med minskat koboltinnehåll som ett led emot helt koboltfria Li-jonbatterier. Dock är det inget nytt med Li-jonbatterier utan kobolt. Celler utan kobolt har varit i produktion runt 15 år, framför allt bland de kinesiska tillverkarna, men även Nissans första Leaf. Idag fortsätter vi med ett helt koboltfritt alternativ: LFP – en variant av Li-jonbatterier som många räknat bort.

Kina skärper säkerheten och gör att LFP åter är ett alternativ

Under det senaste året har det dykt upp en rad nyheter om LFP och om nya möjligheter, mycket tack vare att Tesla kommer använda LFP-celler för Model 3 i Kina, men även Volkswagen tänker eventuellt använda LFP-celler i Kina [1,2]. LFP-celler har lägre energidensitet än t.ex. NMC-celler; mycket avhängt den lägre cellspänningen, men kapaciteten hos materialet är lägre.

Ofta nämns LFP-celler som ett ’säkert’ alternativ då det är mindre termiskt känsligt och inte lika känsligt vid högre cellspänningar. Dock bör det påpekas att det inte finns några säkra batterier. För några år sedan kunde endast fordonstillverkare som använde LFP-celler till elektriska bussar ta del av statliga subventioner i Kina, vilket vi skrev om 2016 (länk). Då spekulerades det en del kring om detta var ett steg i att främja inhemska celltillverkare och att mota bort framför allt koreanska celltillverkare. Kinesiska myndigheter har återigen infört säkerhetsbestämmelser som gör det svårare att använda NMC-celler. De nya föreskrifterna kräver att elbilar är så utrustade att det inom fem minuter från ett eventuellt felfall i batteriet inte uppstår en brand eller explosion [3]. Detta kan göra att elbilar utrustade med NMC-celler kan behöva extra säkerhetsanordningar. Så det man vinner i energitäthet genom att välja NMC-celler gent emot LFP-celler kan man lätt förlora genom de extra säkerhetsanordningarna om det visar sig att LFP-celler kräver mindre av dessa. Här gäller det alltså att ha ett installationsperspektiv (komplexitet och robusthet inräknat) och inte enbart jämföra cell med cell.

Energitätheten på packnivå jämförbar med NMC

Det är många som väljer bort LFP då de anser att energitätheten är för låg. Många NMC-celler för BEVs har en energitäthet på ca. 250-280 Wh/kg [4]. På packnivå är siffran betydligt lägre: så mycket som hälften kan förloras när man går från cell till pack för en personbil, mindre om det är en buss.

Nu visar CATL upp ett batteripack, till en elbuss (Yutong) som är baserat på LFP-celler, med en energitäthet på 161 Wh/kg [5]. Detta är i paritet med batteripacket till Tesla Model 3 med NCA-celler [6]. CATL ska ju leverera LFP-celler till Tesla Model 3 i Kina (vilket vi skrev om tidigare i år (länk)).

Vid IAA ifjol presenterade CATL en ny batteriplattform – Cell-to-Pack (CTP) – och som gör att energitätheten på packnivå kan öka från 180 till 200 Wh/kg [7]. CTP borde även gynna batteripack baserade på LFP-celler.

BYD är nog den kinesiska celltillverkaren som (hittills?) leder utvecklingen kring LFP-celler. BYD tillverkare ju även bilar och bussar. Elbilen BYD Han har en räckvidd på över 600 km och detta på LFP-celler med en energitäthet på packnivå på 141,5 Wh/kg [8].

Kostnadsbilden positiv

I takt med att koboltpriserna ökar blir både batteripack och elbilar dyrare om batteripacket baseras på Co-innehållande celler. Under 2018 ökade Co-priserna så att kostnaden för katoden ökade med 13-28 % för ett batteripack på 50 kWh, vilket gjorde att kostnaden för elbilen ökade med 4-7 % [9]. Motsvarande kostnadsökningar för LFP-celler var ca. 1 %, vilket i princip inte påverkade fordonskostnaden alls.

Sett till mängden litium i LFP-celler jämfört med NMC-celler är det en fördel för LPF: 4% jämfört med 7 %.

Återvinning av LFP möjligt

Ett annat argument varför LFP-celler inte ska användas är att återvinningsvärdet är för lågt. Järn är inte ekonomiskt försvarbart att återvinna och det göra att det endast är litium kvar som i framtiden kan vara ekonomiskt att återvinna. Vanligtvis förlorar man förädlingsvärdet för katodmaterialet vid återvinning (pyro- och/eller hydrometallurgiska processer).

När ett batteri tappar kapacitet händer en eller två huvudsakliga processer: katodmaterialet ändrar struktur och kan inte lagra/avge litium, eller så förloras litium i sidoreaktioner. För LFP-celler är den senare processen som dominerar. Det finns lyckade försök där man regenererar LFP-materialet genom hydrotermiska metoder och så att säga återställer litiuminnehållet [t.ex. 10].

Egna kommentarer

LFP var ett alternativ för HEV, speciellt för tunga fordon. Energimyndigheten finansierade ett forskningsprojekt kring just livslängd för LFP-celler till tunga HEV där Scania, Volvo, KTH och Uppsala deltog. Annars har det under senare år varit mest stationära energilager som LFP varit ett tydligt alternativ. 2015 stod LFP för ca. 10 % och väntas öka till >30 % 2030 [11].

LMO-celler är en annan variant av Li-jonbatterier helt utan kobolt. Ofta blandar man in nickel ihop med manganet till LNMO-celler, vilket möjliggör en högre cellspänning (uppåt 4,7 V) och tack vare detta får en attraktiv energitäthet. En genomgång över forskningsläget går att läsa i en review-artikel som publicerades i somras [12].

När det kommer till packdesign för elfordon: det går inte att bara välja en cell – man måste ta hela installationen i beaktande. Och LFP-celler är inte uträknade, men LNMO-celler kanske tar deras plats i elbilsvärlden?

[1] CATL Ready To Supply New LFP Battery Cells For China Bound Model 3 (länk)

[2] VW’s 1.22 billion euro battery deal with Wanxiang A123 (länk)

[3] China launches three compulsory national standards about EV safety (länk)

[4] China: In Some BEVs, Battery Cell Energy Density Now Reaches 250-280 Wh/kg (länk)

[5] Batteries: The true drivers behind LFP demand – new safety standards, costs, IP rights, ESG & simplified battery pack designs (länk)

[6] Tesla Model 3 Battery Pack & Battery Cell Teardown Highlights Performance Improvements (länk)

[7] CATL to Drive New Wave of e-Mobility with Next-Generation Electric Vehicle Battery Technology (länk)

[8] China: Energy Density Of LFP Battery Packs Is Up To Around 160 Wh/kg (länk)

[9] Why LFP cathode material is making a comeback (länk)

[10] Effective regeneration of scrapped LiFePO4 material from spent lithium-ion batteries (länk)

[11] LFP to overtake NMC as dominant stationary storage chemistry by 2030 (länk)

[12] Research advances on cobalt-free cathodes for Li-ion batteries – The high voltage LiMn1.5Ni0.5O4 as an example (länk)