Disputa del material del cátodo de la batería de potencia

Los vehículos de nueva energía son la dirección del desarrollo del automóvil. Las baterías eléctricas son el corazón de los vehículos de nueva energía. Su nivel tecnológico y desarrollo industrial son de gran importancia para la aplicación a gran escala de los vehículos eléctricos. Con la creciente concentración de la industria de las baterías de energía y la madurez gradual de la ruta tecnológica, la batería de energía del futuro se desarrollará hacia una velocidad de carga más segura, más larga y más rápida.

En la actualidad, existen muchas rutas técnicas para los materiales de cátodos de baterías de energía, centrándose principalmente en fosfato de hierro y litio, materiales ternarios, óxido de cobalto de litio y manganato de litio. Luego, con el avance continuo de la tecnología, ¿qué tipo de ruta de tecnología de material de cátodo está en la batería de energía? ¿Es el campo más competitivo?

1, fosfato de hierro y litio

Debido a su buena seguridad, ciclo de vida prolongado, abundantes recursos de materias primas y ausencia de contaminación ambiental, muchos fabricantes de baterías de energía encabezados por BYD han buscado el fosfato de hierro y litio. El éxito de la ruta de la tecnología de fosfato de hierro y litio de China es inesperado para los principales fabricantes extranjeros de baterías de energía.

Hay muchas ventajas del fosfato de hierro y litio, pero las desventajas también son obvias. Además del rendimiento de ciclo extremadamente pobre a bajas temperaturas, el principal inconveniente es su baja conductividad y densidad de toma, y su densidad de energía es de solo 120-150wh / kg. A fines de 2016, el estado introdujo subsidios para baterías de energía de acuerdo con la densidad de energía, lo que puede obstaculizar el desarrollo de baterías de energía de fosfato de hierro y litio. Sin embargo, el uso de fosfato de hierro y litio en autobuses eléctricos es insustituible y el espacio de mercado sigue siendo amplio en el futuro.

En la actualidad, los fabricantes de baterías que utilizan fosfato de hierro y litio incluyen BYD, Peking University First, Shenzhen Water Code y Hefei Guoxuan, etc. En el futuro, el fosfato de hierro y litio se desarrollará en la dirección de aumentar la densidad de energía. Es concebible utilizar aditivos como el grafeno y los nanotubos de carbono para aumentar la capacidad de velocidad, o para aumentar el voltaje con fosfato de hierro, manganeso y litio, aumentando así la densidad de energía en un 15-20%.

2. Cobaltato de litio y niquelato de litio

El cobaltato de litio es el primer material de cátodo de batería de litio para aplicaciones comerciales. La primera generación de baterías comerciales de iones de litio es la batería de iones de litio de óxido de cobalto y litio que SONY introdujo en el mercado en 1990, y luego se ha utilizado ampliamente en aplicaciones de productos de consumo.

Sin embargo, la mayor desventaja del cobaltato de litio es que la capacidad específica de masa es baja y el límite teórico es 274 mAh / g. Por consideraciones de estabilidad estructural, solo se pueden lograr 137 mAh / g en aplicaciones prácticas. Al mismo tiempo, debido a las reservas relativamente bajas de cobalto en la tierra, el costo del óxido de cobalto de litio es alto y es difícil de distribuir a gran escala en el campo de las baterías eléctricas.

Similar al cobaltato de litio, el niquelato de litio ideal es una estructura de capa hexagonal de tipo α-NaFeO2. La capacidad teórica del material del cátodo de niquelato de litio es de 275 mAh / g, que puede alcanzar los 180-200 mAh / g, y el potencial medio de inserción de litio es de aproximadamente 3,8 V. En comparación con el cobaltato de litio, el níquel tiene una reserva mayor que el cobalto y es relativamente más barato. Sin embargo, el niquelato de litio es difícil de sintetizar y tiene un rendimiento de ciclo deficiente. El niquelato de litio de fase pura no es práctico.

3. Manganato de litio

El manganato de litio está muy cerca del óxido de cobalto de litio y los materiales ternarios que se utilizan actualmente. Su proceso de producción de baterías está muy maduro. La línea de producción de baterías de potencia es básicamente compatible con la línea de producción existente. En particular, Japón y Corea del Sur tienen la intención de usar baterías tipo 18650 para formar un módulo de batería de potencia. La idea técnica hace que la producción de baterías de energía de manganato de litio sea más fácil de lograr.

La mayor desventaja del manganato de litio es su bajo rendimiento en el ciclo de temperatura, pero también tiene sus propias ventajas únicas en comparación con el fosfato de hierro y litio.

(1) La energía específica volumétrica del manganato de litio es mejor que el fosfato de hierro y litio

La capacidad del manganato de litio es aproximadamente un 25% menor que la del fosfato de hierro y litio, pero su voltaje es un 15% más alto que el del fosfato de hierro y litio, y la densidad de compactación del manganato de litio es aproximadamente un 40% mayor. Por lo tanto, la energía específica de volumen del manganato de litio es mayor que la del fosfato de hierro de litio 25-30%.

(2) La consistencia del manganato de litio es mejor que la del fosfato de hierro y litio

Dado que el producto de manganato de litio no contiene carbono, los parámetros de rendimiento del producto son estables y la consistencia es muy favorable para la producción de la batería de potencia.

En la actualidad, Sonny de Japón, China CITIC Guoan, Suzhou Xingheng y otras empresas están desarrollando y produciendo baterías de energía de manganato de litio, y habrá un buen mercado en el futuro en vehículos eléctricos de baja velocidad y vehículos eléctricos con bajo rango de crucero.

4. Materiales ternarios

Los materiales ternarios son principalmente aluminato de litio y níquel-cobalto (NCA) y manganato de níquel-cobalto (NCM). Entre ellos, el NCA es el material con mayor capacidad específica entre los materiales catódicos comerciales.

Aluminato de cobalto cobalto de níquel (NCA)

Debido a que el Co y el Ni tienen configuraciones electrónicas similares, propiedades químicas similares y pequeñas diferencias en el tamaño de los iones, el niquelato de litio y el cobaltato de litio se pueden sustituir de manera equivalente para formar una solución sólida continua y mantener una estructura de α-NaFeO 2 en capas, con el fin de obtener A Un material de solución sólida con alto contenido de níquel más estable, además de la adición de cobalto, puede mejorar aún más la estabilidad y seguridad del material, formando así un material ternario de aluminato de aluminio y cobalto de litio.

Aunque NCA tiene una alta capacidad específica, sus deficiencias también son obvias. La tendencia de desarrollo futuro es desarrollar NCA con alto contenido de níquel y bajo cobalto para reducir los costos y aumentar la capacidad; y desarrollar NCA real de alta presión para aumentar la relación de volumen; Además, el proceso de recubrimiento se utiliza para reducir la sensibilidad del NCA a la humedad.

En la actualidad, Tesla de los Estados Unidos está utilizando una batería de energía de material de cátodo NCA, la tecnología está en la posición de liderazgo. La batería 18650 de Japón con combinación de ánodos de carbono de silicio y NCA tiene una capacidad de hasta 3500 mAh y una vida útil de más de 2000 veces. Varios indicios apuntan a que la NCA es positiva. Los materiales son altamente competitivos en aplicaciones de baterías eléctricas.

Óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (NCM)

El material ternario de hidruro de níquel-cobalto-manganeso (NCM) tiene las ventajas de una alta capacidad específica, un ciclo de vida prolongado, una buena seguridad y un precio bajo, pero también tiene las desventajas de una plataforma relativamente baja y una baja eficiencia de carga y descarga inicial.

Actualmente, el hidruro de níquel-cobalto-manganeso (NCM) se utiliza principalmente en LG de Corea del Sur, Zhejiang Weihong Power y Zhuhai Yinlong. En el futuro, la tendencia de desarrollo de NCM es principalmente producir materiales ternarios en capas con bajo contenido de cobalto. La principal razón es que el cobalto es un recurso escaso. Reducir la cantidad puede reducir el costo; la otra dirección es desarrollar un material ternario en capas con alto contenido de níquel. Aunque el sistema con alto contenido de níquel es difícil de sintetizar y es propenso a la mezcla de níquel-litio, el aumento en el contenido de níquel puede aumentar significativamente la capacidad en gramos, y el sistema con alto contenido de níquel es la energía, uno de los materiales ideales para las baterías. Además, NCM también debe prestar atención al problema de la absorción de agua de los materiales.

En esta etapa, algunos fabricantes nacionales adoptan la ruta técnica de la combinación ternaria NCM / ánodo de titanato de litio para evitar el problema de mala seguridad y ciclabilidad provocado por la formación de dendritas de litio que pueden existir en el ánodo de carbono. La batería de energía producida por este módulo tiene las características de buena seguridad, alta tasa de carga-descarga y ciclo de vida largo (hasta 5000-10000 veces), y por lo tanto ha atraído mucha atención en el campo de las baterías de energía.

Resumir

Tendencias políticas, el mercado de la industria de baterías de energía futura es amplio, la tasa de crecimiento anual promedio del mercado de baterías de energía de vehículos de nueva energía en los tres años puede alcanzar aproximadamente el 50%, pero toda la industria de baterías es ferozmente competitiva, la integración de la industria continúa, el poder La demanda del mercado de baterías se concentrará aún más en las empresas dominantes.

En términos de rutas técnicas, los materiales de cátodos actuales para baterías de energía de iones de litio comerciales son principalmente manganato de litio (LMO), fosfato de hierro y litio (LFP) y materiales ternarios (NMC). Cada material tiene sus propias ventajas y desventajas, y tiene sus propias áreas de aplicación y necesidades de mercado. Entre ellos, las herramientas eléctricas, los HEV y las bicicletas eléctricas son las principales áreas de aplicación de LMO. Los autobuses y taxis de transporte público de nueva energía seguirán estando dominados por LFP. En el futuro, la situación más probable en el campo de las baterías eléctricas será que el fosfato de hierro y litio y los materiales ternarios vayan de la mano.

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