Informe sobre la industria de materiales para cátodos de pilas de litio

Las pilas de litio se componen principalmente de materiales catódicosmateriales de ánodo, separadores, electrolitos y carcasas de batería. El material del electrodo positivo es el factor decisivo para el rendimiento electroquímico de las baterías de litio, que determina directamente la densidad energética y la seguridad de la batería, lo que a su vez afecta al rendimiento global de la misma.

Los materiales del cátodo representan la mayor proporción del coste de los materiales de las baterías de litio, con 45%, y su coste también determina directamente el coste global de la batería. Por lo tanto, los materiales del cátodo desempeñan un papel importante en la batería de litio, y conduce directamente el desarrollo de la industria de baterías de litio.

En la composición de costes de los vehículos eléctricos, el sistema de alimentación representa la mayor proporción, cerca de 50%. El sistema de alimentación se compone principalmente de batería, motor y control electrónico, de los cuales la batería es el núcleo, con 76% del coste, el motor representa 13% y el control electrónico 11%.

En la composición del coste del sistema de batería, el electrodo positivo representa aproximadamente 45% del coste de la batería, el electrodo negativo representa aproximadamente 10% del coste de la batería, el separador representa aproximadamente 10% del coste de la batería, y el electrolito representa aproximadamente 10% del coste de la batería. La proporción es de unos 10%, y los demás ingredientes suponen unos 25%.

La composición del material del electrodo positivo

Los materiales para cátodos de baterías de litio incluyen principalmente materiales activos, agentes conductores, disolventes, aglutinantes, colectores de corriente, aditivos, materiales auxiliares, etc. Las principales materias primas de los materiales del electrodo positivo incluyen sulfato de níquel, sulfato de manganeso, sulfato de cobalto, níquel metálico, carbonato de litio de grado de batería, hidróxido de litio de grado de batería, y los principales materiales auxiliares incluyen sosa cáustica, agua amoniacal, ácido sulfúrico, etc. Estas materias primas y auxiliares son principalmente productos químicos a granel. El suministro del mercado es relativamente suficiente.

Clasificación del material del cátodo

Las baterías de litio se dividen según el sistema de materiales catódicos, que en general pueden dividirse en óxido de cobalto y litio (LCO), manganato de litio (LMO), fosfato de hierro y litio (LFP), materiales ternarios manganato de litio y cobalto y níquel (NCM) y aluminato de cobalto y níquel y litio (NCA), etc. Entre ellos, el fosfato de hierro y litio se utiliza principalmente en el mercado de vehículos de nueva energía y baterías de almacenamiento de energía, y los materiales ternarios son ampliamente utilizados en el mercado de turismos de nueva energía, bicicletas eléctricas y baterías de herramientas eléctricas.

Los distintos materiales catódicos tienen diferentes ventajas e inconvenientes. Los materiales de cátodo de óxido de litio y cobalto tienen un buen rendimiento electroquímico y de procesamiento, así como una capacidad específica relativamente alta, pero los materiales de óxido de litio y cobalto tienen un coste elevado (el cobalto metálico es caro) y un ciclo de vida bajo. Además, tienen un rendimiento de seguridad deficiente.

En comparación con el cobalto de litio, el manganato de litio tiene las ventajas de contar con abundantes recursos, bajo coste, ausencia de contaminación, buen rendimiento de seguridad y buen rendimiento de tasa. Sin embargo, su baja capacidad específica y su bajo rendimiento cíclico, especialmente a altas temperaturas, limitan enormemente su aplicación.

El fosfato de litio y hierro es barato, respetuoso con el medio ambiente, tiene un alto rendimiento de seguridad, buena estabilidad estructural y rendimiento de ciclo, pero su densidad energética es baja y su rendimiento a baja temperatura es deficiente. El material ternario níquel-cobalto-manganeso combina las ventajas del cobalato de litio, el niquelato de litio y el manganato de litio. En comparación con materiales catódicos como el fosfato de hierro y litio y el manganato de litio, los materiales ternarios tienen mayor densidad energética y mayor autonomía.

Cadena industrial del material catódico

El material del electrodo positivo es la materia prima más crítica para las baterías de iones de litio. La materia prima del electrodo positivo de las baterías de litio es el litio, el cobalto, el níquel y otras materias primas minerales, que se combinan con agentes conductores y aglutinantes para fabricar precursores. El precursor se sintetiza mediante un proceso determinado para obtener un material de electrodo positivo, que se utiliza en distintos campos.

Los materiales del cátodo de la batería de litio son el factor decisivo para el rendimiento electroquímico de la batería de litio, y desempeñan un papel principal en la densidad de energía y el rendimiento de seguridad de la batería, y el coste de los materiales del cátodo también es elevado. Los campos de fabricación de baterías de litio se dividen principalmente en baterías de litio de potencia, baterías de litio de consumo y baterías de litio de almacenamiento de energía, que se utilizan en última instancia en vehículos de nueva energía, teléfonos móviles, ordenadores portátiles y estaciones de almacenamiento de energía.

Tamaño del mercado de materiales catódicos

Debido a la fuerte subida de los precios del litio, el cobalto, el níquel y otros metales, los precios de los materiales catódicos también han aumentado considerablemente. En 2021, el valor de la producción de materiales catódicos en China alcanzará los 141.910 millones de RMB, un aumento interanual de 123,1%, superando el aumento del valor de la producción en 2017.

Según los datos, en 2021, los envíos de materiales para cátodos de baterías de iones de litio de China serán de 1,094 millones de toneladas, un aumento significativo de 98,5% interanual. Entre ellos, el envío de materiales de cátodo de fosfato de hierro y litio fue de 455.000 toneladas, lo que representa 41,6%, y el envío de materiales de cátodo ternario es de 422.000 toneladas, lo que representa 38,6%. Los envíos de fosfato de hierro y litio superaron a los de materiales catódicos ternarios. Los expertos predicen que para 2025, los envíos de materiales catódicos de China alcanzarán los 4,71 millones de toneladas, y el mercado tiene un gran margen de crecimiento.

Panorama competitivo de los materiales catódicos

El cátodo tiene la competencia más intensa entre los cuatro materiales principales, y la concentración de la industria está relativamente dispersa. En 2020, los materiales catódicos CR6 alcanzarán 38%, y la concentración de la industria es solo la mitad de la de separadores, electrolitos y ánodos.

Desde la perspectiva del patrón de competencia global de la industria, el rápido crecimiento de los envíos de materiales catódicos de fosfato de hierro y litio ha convertido a Hunan Yuneng y Defang Nano en el primer y segundo puesto de toda la industria de materiales catódicos en 2021, respectivamente. En el futuro, a medida que las empresas de baterías, las grandes empresas químicas y las empresas mineras de primera línea entren en el campo de los materiales catódicos, la competencia en toda la industria puede volverse más intensa, y el patrón general de la industria aún puede sufrir cambios importantes.

El panorama competitivo de la industria de materiales ternarios para cátodos es disperso pero estable. En la actualidad, la capacidad mundial de producción de materiales ternarios se encuentra principalmente en China, Corea del Sur y Japón. Entre ellos, en 2021, los envíos de material ternario de China representarán 58,77% de los envíos mundiales de material ternario, lo que supone más de la mitad del total.

Los productos son principalmente NCM, los materiales ternarios de Japón son principalmente NCA, y Corea del Sur tiene tanto NCM como NCA. En 2021, las tres principales cuotas de mercado de materiales catódicos ternarios en China son Rongbai Technology, Dangsheng Technology y Tianjin Bamo.

Dos direcciones de desarrollo de los materiales catódicos

Con la mejora continua de los requisitos de rendimiento de las baterías de litio, los materiales catódicos darán paso a una nueva ronda de iteraciones y actualizaciones tecnológicas. Las dos vías técnicas representadas por el litio hierro manganeso fosfato y el alto níquel ternario son las más claras. La batería de litio hierro manganeso fosfato se espera para el año que viene. A partir de las aplicaciones comerciales, seguirá aumentando la proporción de ternario de alto contenido en níquel en las baterías ternarias.

El fosfato de litio, hierro y manganeso es la dirección de actualización

La densidad energética de las baterías de litio hierro fosfato es muy alta. El fosfato de hierro y manganeso y litio (LMFP) es una versión mejorada del fosfato de hierro y litio. El fosfato de hierro y manganeso y litio (LiMnxFe1-xPO4) es un nuevo tipo de fosfato formado por el dopaje de una cierta proporción de manganeso (Mn) sobre la base de fosfato de hierro y litio (LiFePO4). Materiales para cátodos de baterías de iones de litio.

Mediante el dopaje del elemento manganeso, por un lado, se pueden combinar eficazmente las ventajas del hierro y el manganeso y, por otro, el dopaje del manganeso y el hierro no afectará significativamente a la estructura original. La principal ventaja del fosfato de litio, hierro y manganeso en comparación con el fosfato de litio y hierro es su alta densidad energética.

La capacidad teórica en gramos (170mAh/g) del fosfato de hierro y litio y del fosfato de hierro y manganeso es la misma, pero la plataforma de descarga es diferente. La plataforma de descarga de tensión de circuito abierto de los iones de manganeso en el fosfato de hierro y manganeso y litio es de 4,1 V, y la plataforma de descarga global del fosfato de hierro y manganeso y litio es de 3,8 V-4,1 V.

La plataforma de descarga teórica del fosfato de hierro y litio es de 3,4 V, y el nivel real es de 3,2-3,3 V. En comparación con el fosfato de hierro y litio, el fosfato de hierro y manganeso y litio tiene una plataforma de tensión más alta, y su densidad energética puede ser aproximadamente 15% superior a la del fosfato de hierro y litio, y conserva las características de seguridad y bajo coste de las pilas de fosfato de hierro y litio.

La tendencia de la alta niquelización del cátodo ternario

Los que tienen una proporción de elementos de Ni igual o superior a 60% se denominan materiales ternarios de alto contenido en níquel. Los ternarios de alto contenido en níquel seguirán convirtiéndose en la tecnología dominante para los vehículos de largo alcance. Con el desarrollo de tecnologías afines y la integración de las funciones de las plataformas de los vehículos, los vehículos de nueva energía seguirán evolucionando hacia una mayor densidad energética y una mayor autonomía de crucero en el futuro.

La tendencia de desarrollo de las baterías de iones de litio es cada vez más evidente. Según los datos, en 2021, los materiales catódicos ternarios de China siguen dominados por los productos de alto voltaje de la serie Ni5, que representan 46%, seguidos por los productos de alto contenido en níquel de la serie Ni8, que representan 36%, y los productos de la serie Ni6, que representan 16%.

Desde el punto de vista técnico, el ternario de alto contenido en níquel presenta mayores barreras técnicas que otros materiales catódicos. No sólo requiere una mayor tecnología de investigación y desarrollo, sino también unas capacidades tecnológicas de ingeniería más eficientes y estables y un nivel de gestión de la producción más refinado.

Desde la perspectiva de la densidad energética, tras la introducción de materiales de cátodo de níquel ultraalto, la densidad energética de la célula de batería ha alcanzado los 300-400Wh/kg, lo que amplía la diferencia con la célula de batería de litio hierro fosfato, que puede satisfacer mejor los requisitos de los vehículos de nueva energía. Requisitos de desarrollo inteligente.

Desde el punto de vista de los costes, los materiales catódicos ternarios con alto contenido de níquel utilizan menos cobalto metálico, lo que reduce el coste de las materias primas y provoca una disminución del coste unitario de las baterías ternarias de litio con alto contenido de níquel, lo que favorece la popularización de los vehículos de nueva energía. En el ámbito de las baterías de alto contenido en níquel, empresas líderes como CATL, Panasonic, LG Energy, Samsung SDI, SKI, etc. han producido y suministrado en serie baterías NCM y NCA con un contenido en níquel superior a 80%, y aspiran a superar los 90% de contenido en níquel de las baterías de níquel ultraalto.

Otras tecnologías de materiales catódicos

Materiales catódicos a base de manganeso ricos en Li: Tiene las características de alta densidad energética, bajo coste y respeto al medio ambiente. Se trata de una posible dirección de desarrollo de materiales catódicos en el futuro. Su capacidad específica alcanza los 300 mAh/g, muy superior a la aplicación comercial actual del fosfato de hierro y litio. La capacidad específica de descarga de materiales catódicos como los materiales ternarios y los materiales ternarios es la clave técnica para que la densidad energética de las baterías de litio de potencia supere los 400Wh/kg.

Al mismo tiempo, los materiales a base de manganeso ricos en litio se basan principalmente en el elemento manganeso, más barato, y tienen menos contenido de metales preciosos. En comparación con los materiales catódicos ternarios de óxido de litio-cobalto y níquel-cobalto-manganeso utilizados habitualmente, el coste no sólo es menor, sino que también la seguridad es mayor.