LFP accu, een introductie

Dt artikel, dat deel uit maakt van een artikelenreeks over de LFP accu, is het eerste deel van een artikelenreeks waarin we de vele aspecten van de LFP accu behandelden. We beginnen met een korte introductie.

Even vooraf, om misverstanden te voorkomen

In deze artikelenreeks over de LFP accu gaan we uit van de eigenschappen van de "gewone / gangbare" LFP accu(cel), die gebruikt wordt in onder meer een EOS (ook wel ESS of BESS), thuisbatterij (ook wel eens powerwall genoemd), balkoncentrale, powerstation, noodstroomvoorziening en UPS. De in deze producten gebruikte LFP accu mag bijvoorbeeld niet onder het vriespunt geladen worden (wel ontladen) en mag hij niet met een grotere stroom dan 0,5C (ont)laden worden.

Sommige fabrikanten produceren LFP cellen met afwijkende specificaties voor specifieke toepassingen, zoals voor de EV, waarbij de accu wél onder het vriespunt geladen mag worden en waarbij ook veel grotere (ont)laadstromen dan 0,5C toegestaan zijn. Hoewel de informatie in deze artikelenreeks gaan over de gangbare LFP accu's, zijn deze ook van toepassing op de voornoemde speciale LFP accu's, met uitzondering van deze twee aspecten.

Tevens gebruiken we in deze artikelenreeks de term accu en soms de term accucel, die twee termen zijn géén synoniemen. Een accu is opgebouwd uit uit meerdere in serie geschakelde accucellen (hoewel een combinatie met parallel geschakelde cellen ook voorkomt). Zo heeft een 12 Volt LFP accu vier LFP accucellen, bij een 24 Volt accu zijn dat er acht en een 48 Volt accu is opgebouwd uit zestien^[1] in serie verbonden accucellen.

De meeste aspecten die we behandelen zijn van toepassing op de accu en gelden dus ook voor de accucel en zijn de termen wel uitwisselbaar. Soms zijn zaken van toepassing op de accu als geheel zoals bij het BMS, het balanceren en de zekering, in dat geval gebruiken we de term accu.

Veel "accufabrikanten", maar héél weinig accucelfabrikanten

Het is niet te tellen hoeveel "fabrikanten" LFP accu's of apparatuur aanbieden die opgebouwd zijn rond LFP accu's of LFP accucellen, zoals thuisbatterijen, EOS'en, powerwall's, balkoncentrales, powerstations, UPS'en, noodstroomvoorzieningen.

Al die fabrikanten maken zelf géén LFP accucellen maar kopen deze in. Op de wereld zijn een handjevol fabrikanten van LFP accucellen, een stuk of vier/vijf bezitten circa 80% van de markt, en wellicht zijn er nog zes tot tien andere fabrikanten die LFP accucellen maken, maar die spelen nauwelijks een rol van betekenis.

Wat we hiermee willen zeggen is dat als je een LFP accu koopt (die opgebouwd is uit LFP accucellen), of een appaaraat waar een LFP accu zit, dat je vrijwel zeker steeds dezelfde LFP accucellen tegenkomt, van die vier fabrikanten.

De mooie verhaaltjes die de "niet-LFP accucelfabrikanten" verzinnen die aangeven dat zij nóg betere LFP accu's leveren dan de concurrentie is dus marketingpraat omdat bij het apparaat van hun grootste concurrent zeer waarschijnlijk precies dezelfde LFP accucellen zitten.

Daar zijn wel uitzonderingen op. Als je een LFP accu koopt die een prijs heeft die flink lager is dat de wat de marktprijs is, dan heb je vrijwel zeker te maken met een fabrikant/leverancier die, zonder dit te vertellen, je "B-kwaliteit" of soms zelfs gebruikte LFP accu's levert. Goedkoop kan dan duurkoop zijn.

Helaas geldt ook in deze markt, duur staat nog niet garant voor hoge kwaliteit, maar goedkoop is vrijwel zeker een "minder-goede-koop".

De bekendste fabrikanten van LFP accucellen zijn op het moment van schrijven CALB, CATL, EVE en RAPT. We negeren dan een fabrikant als BYD die LFP accucellen maakt maar die ze gebruikt voor haar eigen EV's, dus voor een EOS een niet relevante fabrikant is.

De LFP accu met haar belangrijkste eigenschappen

De LFP accu is een relatief nieuwe accusoort. Hij behoort tot de familie van lithium-ion accu's waarbij lithium ionen^[2] de basis vormen van de opgeslagen lading. Het gebruik van deze techniek stamt uit 1970 maar het duurde tot 1991 voordat op lithium-ion gebaseerde accu's commercieel beschikbaar kwamen.

Op basis van deze lithium-ion techniek zijn vele accuchemiën (accutypen) ontstaan zoals de NMC, NCA, LMO, LCO, LTO en LFP. Het gebruik van lithium ijzerfosfaat in een lithium-ion accu is bedacht in 1996 door Padhi et al^[3][4]. De naam LFP is een afkorting en stamt af van de Engels naam voor lithium ijzerfosfaat: Lithium Ferro Phophate, afgekort LFP.

De LFP accu, wordt ook wel een aangeduid als een LiFePO₄ accu, naar de scheikundige schrijfwijze van lithium-ijzerfosfaat, de stof die in de LFP accu gebruikt wordt en daardoor onderscheidend is van andere lithium-ion accu's zoals de NMC accu die lithium-nikkel-mangaan-cobalt (LiNiMnCo) gebruikt. Soms wordt de LFP accu abusievelijk aangeduid als LiFePo₄ of Lifepo₄, dat is een schijffout en dat zien we nog dan nog maar door de vingers. Maar we zien soms dat men de afkorting LiPO gebruikt, maar en dat is écht fout, want LiPo, lithium polymeer, dat is een totaal ander litium accutype.

Bij de ontdekking / het ontwerp van de LFP accu had deze initieel een zeer grote interne weerstand en was daarom praktisch gezien niet bruikbaar. Pas in 2015 werd daar een oplossing voor gevonden en roemt men de LFP accu juist nu om zijn enorm láge interne weerstand. Juist door die lage weerstand kunnen énorm grote stromen ontstaan tijdens een kortsluiting. Die kortsluitstromen zijn zo groot dat een normale zekering deze niet kan onderbreken. Daarom moeten bij LFP accu's speciale zekeringen gebruikt moeten worden met een grote onderbrekingsstroomcapaciteit.

Die lage interne weerstand zorgt mede dat het rendement van de LFP accu zeer hoog is. Als de (ont)laadstromen niet te hoog zijn, dan is het laad/ontlaadrendement circa 98%. Dat hoge rendement neemt wel af bij grotere (ont)laadstromen en/of temperaturen onder de circa 10°C.

Een aantal aspecten hebben gezorgd dat de LFP accu populair werd. Zo bevat de LFP accu geen lastige verkrijgbare en giftige stoffen zoals cobalt en nikkel zoals deze wel in bijvoorbeeld de NMC, NCA en LCO lithium-ion accu's gebruikt worden.

Daarnaast heeft de LFP accu een zeer lange te verwachtte levensduur. Die is wel afhankelijk van de omstandigheden waarin hij gebruikt wordt, waarbij temperatuur en de sterkte van de (ont)laadstroom een dominante rol speelt. Fabrikanten beloven een levensduur tussen de 3000 en 10000 cycli.

Ook is het fijn dat de capaciteit van de LFP accu, in principe, volledig gebruikt kan worden. Ter illustratie, een NMC accu wordt doorgaans gebruikt met een ladingsgraad (SoC) tussen circa 10 en 90% (dus 80% bruikbare capaciteit) en de AGM accu tussen de 50 en 100% (dus 50% is maar benutbaar). Zonder deze beperking zal de levensduur van die accu's sterk beperkt worden.

Hoewel het gebruik van de totale accucapaciteit (0-100%) bij een LFP accu ook invloed heeft op de levensduur ten op zichte van bijvoorbeeld een SoC tussen 3-97% speelt dit een minder grote rol omdat de levensduur toch al zo lang is. Waarom men toch vaak kiest voor een deel van de capaciteit niet te gebruiken, bijvoorbeeld een SoC tussen de 3%-97%, 10-90% of 20-80% behandelen we in een vervolgartikel.

Als laatste, en dan houden echt op met de lovende worden over de LFP accu, heeft de LFP accu een zeer geringe zelfontlading van circa 3% per maand. Dat is vooral prettig als de LFP accu, bijvoorbeeld in de winter, tijdelijk niet gebruikt wordt zoals in een camper.

Uiteraard, de LFP accu heeft ook nadelen. Zo is hij iets zwaarder en iets groter als je hem vergelijkt met andere lithium-ion accu's met een identieke capaciteit. Het gewicht en volume speelt bij stationaire toepassing geen rol en daarom wordt de LFP accu vooral daar gebruikt. Maar ondanks deze beperking worden in EV's steeds meer de LFP accu toegepast, vooral bij modellen met een wat beperktere actieradius. We vermoeden dat de mogelijk lagere prijs van de LFP accu de doorslaggevende factor is en het gewicht op kortere afstanden een iets minder grote rol speelt.

Een ander nadeel is dat de standaard LFP accu absoluut niet geladen mag worden onder het vriespunt (anders ✝). Het ontladen mag overigens tot circa -20°C. Daarnaast is de maximale continue (ont)laadstroom beperkt tot 0,5C. Overigens leveren fabrikanten speciale LFP accu's die wél onder het vriespunt geladen mogen worden en/of (ont)laden mogen worden met een stroom van 1C of hoger.

Het gebruik van verwarmingselementen kan de accu op temperatuur houden waarbij de lage omgevingstemperatuur geen beperking meer hoeft te zijn, maar dit gaat natuurlijk ten koste van het rendement.

LFP accu's hebben een hekel aan hoge(re) temperaturen. Gebruik ze bij voorkeur tussen circa 10 en 35°C. Hoe hoger de temperatuur wordt, hoe sneller het verouderingsproces zal plaatsvinden. Er zijn geen echte kritische grenzen (fabrikanten van LFP cellen hanteren vaak 60°C als absoluut maximum), dus bij 40°C is hij ook nog goed toepasbaar, maar zal dan sneller verouderen en bij 45°C gaat dat nog sneller.

Tenzij de fabrikant dit toestaat moeten LFP accucellen rechtop gebruikt worden. Dit heeft te maken dat de cathode en anode materialen die de plus en minpool van de accucel vormen, "ondergedompeld" moeten zijn in het elektrolyt, de vloeistof in de accu waarin het transport van lithium-ionen plaatsvind.

Van de meeste lithium-ion accuchemiën is bekend dat ze, bij misbruik (zoals bij overladen of schade toebrengen) zeer heftig tot ontbranding kunnen komen door een thermal runaway en kunnen giftige gassen vrijkomen.

Bij de LFP accu ligt dat anders. Ook door misbruik of falen van beveiligingssystemen, kan een thermal runaway ontstaan. Het verloop van die thermal runaway is rustiger maar langer en zal, in principe, geen ontbranding ontstaan. Wel zullen giftige een brandbare gassen ontstaan zoals koolmonoxide en waterstof. In een gesloten ruimte kan dat uiteindelijk tot een ontploffing leiden als bijvoorbeeld iemand een schakelaar omzet of bij het aanraken van een deurklink een klein statisch vonkje overspringt. Hoewel de kans op een thermal runaway zeer gering is, kan je deze nooit uitsluiten. Denk daarom nog even na voordat je een LFP accu naast je nachtkastje zet^[5] of ergens in een vluchtweg, zoals onder een trap.

Een technisch uitdagend aspect van de LFP accu is de enorm vlakke (ont)laadcurve, het spanningsverloop tijdens (ont)laden. Dit heeft tot gevolg dat de SoC de State of Charge, de ladingsgraad, alleen maar goed te bepalen is met componenten die duurder zijn dan bij andere accuchemiën. Fabrikanten die hierop bespaart hebben, en dat gebeurt regelmatig, tonen een SoC die flink kan afwijken van de werkelijke SoC. Soms zo sterk afwijkend dat de waarde van de SoC die weergegeven wordt nog geen eens als indicatief bestempeld kan worden. Regelmatig laden tot 100% beperkt het zogenaamde SoC-verloop, dat inherent is aan de Coulombmeetmethode is die bij LFP accu's gebruikt wordt.

De prijs van de LFP accu is in de afgelopen jaren sterk is gedaald en hoewel de aanschafkosten hoog zijn, is hij in gebruik relatief goedkoop en dat komt vooral doordat de capaciteit van de accu in principe voor de volle 100% gebruikt mag worden maar ook een hoog rendement en lange levensduur heeft.

Als laatste willen we je opmerkzaam maken dat de ene LFP accu de andere niet is. Door de samenstelling van de accu iets te veranderen proberen fabrikanten hun producten te onderscheiden van de concurrentie. Zo kan men de dikte van de grafietlaag van de anode veranderen wat invloed heeft op de levensduur, maar gaat dit meestal ten koste van de capaciteit.

De LFP fabrikanten zoals CALB, CATL, EVE en RAPT innoveren hun producten continue en veranderen ze de samenstelling van de gebruikte stoffen waardoor bijvoorbeeld meer capaciteit, temperatuurgevoeligiheid of levensduur beïnvloed wordt. Wat we hiermee willen duidelijk maken is dat de testresultaten van LFP accu "X" niet één op één van toepassing zijn op LFP accu "Y". LFP accucelfabrikanten leveren diverse LFP accucellen waarbij niet alleen de capaciteit verschilt, maar ook zaken als temperatuurbereik, maximale (ont)laadstroom en het maximaal te verwachten cycli. Als voorbeeld, EVE levert twee ogenschijnlijk identieke accucellen (optisch gezien zijn ze identiek), de MB30 en de MB31 waarbij de prijs nagenoeg gelijk is. De MB30 heeft een capaciteit van 306 Ah, bij de MB31 is dat 314 Ah. De MB30 heeft een verwachte levensduur van 10.000 cycli terwijl de MB31 dit op 8.000 cycli ligt.

Verder lezen

Tot zover deze korte introductie. De andere artikelen uit deze reeks kan je hier vinden.