Elbiler med «Kina-batterier» er i ferd med å få fotfeste her hjemme. BYD og Tesla er blant bilprodusentene som allerede satser på batterier med jernfosfat-batterier.
Batteritypen har vært vanlig i kinesiske elbiler i mange år, og har hatt ry på seg for å være tung og lite effektiv sammenlignet med andre vanlige batterityper.
Det er likevel gode grunner til å anta at de jernbaserte batteriene vil bli mye vanligere i europeiske biler i årene som kommer.
Det har lenge vært jaktet på batterikjemi med så høy energitetthet som mulig. Elbilbatterier har derfor i stor grad hatt en batterikjemi som har en høy andel nikkel og kobolt i katoden.
Årsaken er at nikkel og kobolt i katoden sørger for høy energitetthet – de kan lagre mange litiumioner. Batterikjemien NMC (nikkelmangankoboltoksid – LiNiMnCoO2) er mest populær, og brukes i alt mellom Audi E-Tron og Renault Zoe.
Tesla bruker en annen batterikjemi, NCA (nikkelkoboltaluminiumoksid (LiNiCoAlO2), som også har høy energitetthet. Felles for begge kjemiene er at de benytter relativt kostbare råmaterialer.
Jernfosfat-batterier på vei
Blant kinesiske elbilprodusenter har en annen, mindre energitett katodekjemi vært i bruk. LFP (Litiumjernfosfat – LiFePO4) har betydelig lavere energitetthet, typisk spesifikk energi er inntil 130 wattimer per kg, mot opp til 260 wattimer per kg for de andre to. Men jernfosfat er langt billigere enn nikkel og kobolt.
Vil tette «batterigap» med ny fabrikk
Lav energitetthet gir tunge batterier, og dermed tunge biler. Det er et kompromiss man kan leve med om man skal lage lavprisbiler. I vår del av verden har elbilene på sett og vis begynt i motsatt ende. Etter at flere bilprodusenter begynte å lage elbiler har mange av dem laget dyre biler med lang rekkevidde først.
Nå har det begynt å dukke opp biler med LFP-batterier på det europeiske markedet. Tesla begynte tidligere i år å importere LFP-baserte biler fra Kina. I tillegg har Europa fått nye bilmerker fra Kina. BYD og Maxus er blant de som benytter LFP-batterier.
Lavere pris, lengre levetid
Nils Peter Wagner, seniorforsker ved Sintef Industri avdeling for bærekraftig energiteknologi forteller at lavere pris er en av de viktigste driverne for LFP-teknologien. Katodematerialet er rimeligere enn NMC- eller NCA-katoder, og selve katoden utgjør en stor del av batteriprisen.
–Jern er et rimelig overgangsmetall sammenlignet med nikkel og spesielt kobolt, sier han.
Wagner tror også at LFP blir viktig for å skape aksept for elbiler blant forbrukere flest. Han viser til Volkswagens planer om å bruke batteriteknologien i sine billigste modeller.
– Her er sikkert selve prisen viktigere enn rekkevidde, som gir mening for mindre biler, sier han.
En av styrkene til LFP-batteriene er at de kan ha betydelig lengre levetid enn NMC og NCA. De tåler flere ladesykluser.
NMC-batterier klarer omtrent 3000 sykluser. LFP-batterier kan klare mer enn det dobbelte, særlig sammenlignet med nikkelrike NMC-celler.
3000 sykluser er i praksis mer enn total kjørelengde for en normal personbil i dag. Det er imidlertid ikke sikkert at dette vil være nok for fremtidige kjøretøy, for eksempel selvkjørende biler som er på veien nesten hele døgnet.
Mange viktige drivere for LFP
At LFP har vært utbredt i Kina, og at Tesla nå ser ut til å satse tungt på denne batterikjemien er langt fra tilfeldig. Ifølge råvaremarkedsanalysebyrået Roskill er det i hovedsak åtte viktige drivere for utviklingen.
Strengere kinesiske sikkerhetskrav innført i 2020 krever at bilene må ha sikkerhetsmekanismer som hindrer brann eller eksplosjon dersom det oppstår såkalt «thermal runaway». Om en celle i batteriet kortslutter, kan det gi enorm varmeutvikling som sprer seg til omkringliggende celler og gjør at disse begynner å brenne.
Kravet er at bilen må hindre brann eller eksplosjon innen fem minutter etter at hendelsen oppsto. LFP har svært lav sannsynlighet for slike hendelser. Andre kjemier trenger omfattende sikkerhetssystemer, som både øker kostnadene og reduserer energitettheten i batteripakken.
LFP-batteripakker kan være mye enklere.
Wagner sier at LFP er et veldig trygt materiale sammenlignet med NMC og NCA, ettersom oksygen bindes veldig sterkt til fosfor. Kort sagt gir det mindre fare for at cellene kan begynne å brenne.
Måten batteriet bygges på kan gi mer energi
Et eksempel er BYDs Blade-batterier, som består av store prismatiske celler pakket sammen i en såkalt cell-to-pack-konfigurasjon.
Det vil si at de forenkler konstruksjonen av selve batteripakken ved å stable cellene tett sammen. Tradisjonelt er elbilbatteriet bygget av celler satt sammen i moduler som igjen settes sammen til en batteripakke. Ved å hoppe over modulene kan det spares både vekt og plass.
Materialene som brukes til å konstruere selve batteripakken kan veie like mye som cellene, så ved å forenkle oppbyggingen øker energitettheten på batteripakkenivå.
Dermed kan BYD pakke mer energi per vekt eller volum i batteriet, slik at energitettheten øker, tross lavere energitetthet i cellene.
Ifølge en forskningsartikkel publisert i Nature Energy har Blade-batteriet relativt lav spesifikk energi på cellenivå, omtrent 160 wattimer per kg, men likevel en akseptabel spesifikk energi på batteripakkenivå, omtrent 140 wattimer per kg.
Til sammenligning har Teslas NCA-celler i 75 kilowattimer-batteriet i Model 3 langt høyere spesifikk energi på cellenivå, omtrent 255 wattimer per kg, men på pakkenivå blir det «bare» rundt 165 wattimer per kg.
Teslas LFP-batterier er vesentlig forenklet sammenlignet med NCA-batteriene. Cellene er levert av CATL, som også utviklet cell-to-pack-teknologi, som Tesla bruker i sine LFP-batterier i Model 3 og Y. En video fra Munro Live viser hvordan disse er bygget opp.
Cell-to-pack er vanskeligere med NMC- og NCA-celler, men ikke umulig. Tesla har varslet at de jobber med en «strukturell batteripakke» som skal gi 370 færre deler i batteripakken og redusere vekten 10 prosent.
Patentrettigheter går ut
En annen viktig driver Roskill peker på, er patentsiutasjonen rundt LFP-teknologien.
LFP ble utviklet av forskere ved University of Texas-Austin på slutten av 90-tallet, og er siden videreutviklet av andre aktører. Disse gikk sammen i et konsortium som sitter på nøkkelpatentene.
For ti år siden inngikk konsortiet en lisensavtale med kinesiske batteriprodusenter, som kort sagt innebar at de kunne bruke teknologien uten å betale lisenser, forutsatt at batteriene bare ble solgt på det kinesiske markedet.
Det er kanskje den viktigste forklaringen på hvorfor batterikjemien er så utbredt i Kina allerede.
Patenter varer ikke evig. Rettighetene begynner å gå ut neste år. Dermed åpnes det muligheter for storstilt eksport av batteriene, uten at det utløser dagens lisenskostnader.
Det åpner i praksis dørene ut av Kina for BYD, CATL og andre batteriprodusenter, og sammenfaller med at Tesla signalisert storstilt bruk av LFP-batterier i sine biler.
Nøyaktig hvilke lisensutgifter produsentene har på eksport av LFP til Europa i dag er uklart.
Råvarepris og -tilgang
Åpnet Norges første storskala batterifabrikk: – Ingen av disse investeringene er risikofrie
Råvarene som går inn i ulike cellekjemier betyr naturlig nok også mye.
Batterikjemi med stor andel materialer som kobolt og nikkel er ikke uproblematisk. Særlig kobolt har rykte på seg for å være knyttet til barnearbeid.
Det gjør at mange bilprodusenter ønsker å bruke mindre kobolt i sine batterier.
Kobolt er kostbart, og for tiden er prisen økende. I skrivende stund ligger prisen på over 53.000 dollar per tonn. For seks år siden var prisen det halve. Store deler av 2018 var prisen nesten det dobbelte, opp mot 95.000 dollar, ifølge data fra Tradingeconomics.com.
Prisen på nikkel er også økende, og i skrivende stund rundt 18.000 dollar per tonn.
Råvareprisene påvirker batteriprisen, og store prisvariasjoner kan spise opp marginene på særlig billige elbiler, ifølge Roskill.
Viktig for billige elbiler
Ifølge Roskills analyse kan LFP-batterier være den store driveren for elbiler i land hvor det ikke er så stor kjøpekraft, ettersom de er betydelig billigere. Jern og fosfor er billige råmaterialer, normalt ligger råvarene i området 100-200 dollar per tonn.
Den største usikkerheten er litiumkarbonat, som er felles for alle kjemier. Prisen har steget kraftig det siste året, og er nå omtrent 165.000 dollar per tonn, opp fra rundt 39.000 dollar per tonn for et år siden.
Wagner hos Sintef tror også at LFP blir viktig for å skape aksept for elbiler blant forbrukere flest. Billigere batterier vil gi billigere biler.
Han viser til Volkswagens planer om å bruke batteriteknologien i sine billigste modeller.
– Her er sikkert selve prisen viktigere enn rekkevidde, som gir mening for mindre biler, sier han.
Ford planlegger å bruke LFP i sine elektriske nyttekjøretøyer. Toyota kommer også til å ta i bruk LFP i enkelte biler, ettersom de skal ha inngått samarbeid med BYD om å kjøpe batterier fra dem. Stellantis har også signalisert at de vil bruke LFP-batterier.
Ulempene vil trolig begrense LFP
Foreløpig er det ikke sannsynlig at LFP vil erstatte NMC eller LCA i elbiler som skal ha høy ytelse. Teknologien har flere ulemper som gjør at den ikke egner seg særlig godt, og Wagner antar at NMC og NCA fortsatt kommer til å dominere i elbiler.
LFP-celler har lavere nominell spenning enn NMC-celler, 3,2 volt mot 3,7 volt. Det gir en lavere total spenning på batteripakken. I tillegg er energitettheten på cellenivå lavere. Det gjør at slike batterier ikke er særlig godt egnet til biler som skal ha lang rekkevidde.
LFP har dårligere ytelse i lave temperaturer, men dette kan motvirkes med aktiv temperaturkontroll av batteripakken.
Katodekjemien har en teoretisk kapasitet på 170 amperetimer per kg, men i praksis ligger det noe under dette. Wagner anslår 150-160 amperetimer per kg. Dermed er ikke selve kapasiteten så mye lavere enn de fleste NMC-katoder, forklarer han.
– Men selve spenning er omtrent en halv volt lavere, som gir lavere energi. Og så har LFP lavere ledningsevne for strøm og litiumioner, sier han.
Det betyr i praksis at katoden må bestå av mindre partikler, og et karbonbelegg som øker ledeevnen i elektroden. Da blir kompromisset at materialet får lavere tetthet, som igjen gir en negativ effekt på energitettheten per volum.
Wagner nevner også at LFP har en veldig flat spenningsprofil sammenlignet med NMC og NCA. Altså er relativt liten forskjell i cellespenningen på en fulladet og utladet LFP-celle sammenlignet med NMC og NCA. Det gjør det litt vanskeligere å estimere batteripakkens ladetilstand, eller «state of charge».
Nio bygger «hybridbatteri» av LFP og NMC
Det finnes måter å komme rundt noen av begrensningene. Elbilprodusenten Nio lanserte nylig et 75 kilowattimer batteri som er bygget opp av både LFP- og NMC-celler. Resultatet skal være et hybridbatteri som ifølge Nio har samme ytelse som et rent NMC-batteri.
Rekkeviddetapet i kulde skal være 25 prosent lavere med dette batteriet, hevder de.
– Dette er en spennende tanke, sier Wagner, men legger til at det til syvende og sist bare en en blanding av LFP- og NMC-celler.
Lavere pris på batteripakken er uansett positivt, mener han. At Nio her bruker cell-to-pack i dette batteriet har også en positiv effekt på energitettheten.
Andre kjemier kan bli viktige
LFP er ikke den eneste cellekjemien som kan bli viktig. Morrow utvikler batterikjemi basert på LMNO-katoder (litium-mangan-nikkeloksid). At de ikke inneholder kobolt er viktig for både etikk og pris. Nikkelinnholdet er også lavt.
– Vi er sikre på at vi kan være med helt i toppen når det gjelder energitetthet. Samtidig vil vi kunne redusere kostnadene til batteriene med rundt 30 prosent fordi vi bruker mindre kostbare materialer. Denne teknologien er helt i startfasen og det er stort rom for forbedring, sa Morrow-sjef Terje Andersen i et intervju med TU i sommer.
Utvikler «nanorør-spaghetti»: Lader elbilen på sekunder
