Rapport d'étude sur l'industrie des matériaux pour cathodes de piles au lithium

Rapport d'étude sur l'industrie des matériaux pour cathodes de piles au lithium

Table des matières

Les piles au lithium sont principalement composées de matériaux de cathodeLes batteries au lithium sont composées de plusieurs types de matériaux : matériaux d'anode, séparateurs, électrolytes et enveloppes de batterie. Le matériau de l'électrode positive est le facteur décisif pour la performance électrochimique des batteries au lithium, qui détermine directement la densité énergétique et la sécurité de la batterie, ce qui à son tour affecte la performance globale de la batterie.

Les matériaux de la cathode représentent la plus grande partie du coût des matériaux des piles au lithium, soit 45%, et leur coût détermine aussi directement le coût global de la pile. Par conséquent, les matériaux de la cathode jouent un rôle important dans la batterie au lithium et conduisent directement au développement de l'industrie des batteries au lithium.

Dans la composition des coûts des véhicules électriques, le système d'alimentation représente la plus grande proportion, près de 50%. Le système d'alimentation est principalement composé de la batterie, du moteur et de la commande électronique, dont la batterie est le cœur, représentant 76% du coût, le moteur représente 13%, et la commande électronique 11%.

Dans la composition du coût du système de batterie, l'électrode positive représente environ 45% du coût de la batterie, l'électrode négative représente environ 10% du coût de la batterie, le séparateur représente environ 10% du coût de la batterie, et l'électrolyte représente environ 10% du coût de la batterie. Le rapport est d'environ 10%, et les autres ingrédients représentent environ 25%.

Composition du matériau de l'électrode positive

Les matériaux de cathode des piles au lithium comprennent principalement des matières actives, des agents conducteurs, des solvants, des liants, des collecteurs de courant, des additifs, des matériaux auxiliaires, etc. Les principales matières premières des matériaux d'électrode positive comprennent le sulfate de nickel, le sulfate de manganèse, le sulfate de cobalt, le nickel métallique, le carbonate de lithium de qualité batterie, l'hydroxyde de lithium de qualité batterie, et les principales matières auxiliaires comprennent la soude caustique, l'eau ammoniaquée, l'acide sulfurique, etc. Ces matières premières et auxiliaires sont principalement des produits chimiques en vrac. L'offre du marché est relativement suffisante.

Classification des matériaux cathodiques

Classification des matériaux de la cathode

Les batteries au lithium sont divisées en fonction du système de matériau de la cathode, qui peut généralement être divisé en oxyde de cobalt lithium (LCO), manganate de lithium (LMO), phosphate de fer lithium (LFP), matériaux ternaires manganate de nickel cobalt lithium (NCM) et aluminate de nickel cobalt lithium (NCA), etc. Parmi eux, le phosphate de fer-lithium est principalement utilisé sur le marché des véhicules à énergie nouvelle et des batteries de stockage d'énergie, et les matériaux ternaires sont largement utilisés sur le marché des voitures particulières à énergie nouvelle, des bicyclettes électriques et des batteries d'outils électriques.

Les différents matériaux de cathode présentent des avantages et des inconvénients différents. Les matériaux cathodiques à base d'oxyde de cobalt et de lithium présentent de bonnes performances électrochimiques et de traitement, ainsi qu'une capacité spécifique relativement élevée, mais les matériaux à base d'oxyde de cobalt et de lithium ont un coût élevé (le cobalt métallique est cher) et une faible durée de vie. Les performances en matière de sécurité sont médiocres.

Comparé au cobaltate de lithium, le manganate de lithium présente les avantages suivants : ressources abondantes, faible coût, absence de pollution, bonnes performances en matière de sécurité et de taux. Cependant, sa faible capacité spécifique, sa mauvaise performance de cycle, en particulier à haute température, limitent considérablement son application.

Le phosphate de fer lithié est peu coûteux, respectueux de l'environnement, présente des performances élevées en matière de sécurité, une bonne stabilité structurelle et de bonnes performances de cycle, mais sa densité énergétique est faible et ses performances à basse température sont médiocres. Le matériau ternaire nickel-cobalt-manganèse combine les avantages du cobaltate de lithium, du nickelate de lithium et du manganate de lithium. Par rapport aux matériaux cathodiques tels que le phosphate de fer lithié et le manganate de lithium, les matériaux ternaires ont une densité énergétique plus élevée et une plus grande autonomie de croisière.

Chaîne de l'industrie des matériaux cathodiques

Le matériau de l'électrode positive est la matière première la plus importante pour les batteries lithium-ion. En amont du matériau d'électrode positive pour les batteries au lithium, on trouve du lithium, du cobalt, du nickel et d'autres matières premières minérales, qui sont combinés à des agents conducteurs et à des liants pour former des précurseurs. Le précurseur est synthétisé selon un certain processus pour obtenir un matériau d'électrode positive, qui est utilisé dans différents domaines.

Les matériaux de la cathode de la batterie au lithium sont le facteur décisif de la performance électrochimique de la batterie au lithium et jouent un rôle majeur dans la densité énergétique et la performance de sécurité de la batterie, et le coût des matériaux de la cathode est également élevé. Les domaines de fabrication des piles au lithium en aval sont principalement divisés en piles au lithium de puissance, piles au lithium grand public et piles au lithium de stockage d'énergie, qui sont finalement utilisées dans les véhicules à énergie nouvelle, les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et les stations de stockage d'énergie.

Taille du marché des matériaux cathodiques

Taille du marché des matériaux cathodiques

En raison de la forte hausse des prix du lithium, du cobalt, du nickel et d'autres métaux en amont, les prix des matériaux cathodiques ont également fortement augmenté. En 2021, la valeur de production des matériaux cathodiques en Chine atteindra 141,91 milliards de RMB, soit une augmentation de 123,1% en glissement annuel, dépassant l'augmentation de la valeur de production en 2017.

Selon les données, en 2021, les livraisons de matériaux cathodiques pour batteries lithium-ion en Chine s'élèveront à 1,094 million de tonnes, soit une augmentation significative de 98,5% d'une année sur l'autre. Parmi eux, les livraisons de matériaux cathodiques à base de phosphate de fer lithié s'élèvent à 455 000 tonnes, soit 41,6%, et les livraisons de matériaux cathodiques ternaires s'élèvent à 422 000 tonnes, soit 38,6%. Les livraisons de phosphate de fer lithié ont dépassé celles des matériaux cathodiques ternaires. Les experts prévoient que d'ici 2025, les livraisons de matériaux cathodiques en Chine atteindront 4,71 millions de tonnes et que le marché a une grande marge de croissance.

Paysage concurrentiel des matériaux cathodiques

Parmi les quatre principaux matériaux, c'est la cathode qui fait l'objet de la concurrence la plus intense, et la concentration de l'industrie est relativement dispersée. En 2020, les matériaux de cathode CR6 atteindront 38%, et la concentration de l'industrie n'est que la moitié de celle des séparateurs, des électrolytes et des anodes.

Du point de vue de la concurrence globale de l'industrie, la croissance rapide des expéditions de matériaux cathodiques à base de phosphate de fer-lithium a permis à Hunan Yuneng et Defang Nano d'occuper respectivement la première et la deuxième place dans l'ensemble de l'industrie des matériaux cathodiques en 2021. À l'avenir, avec l'entrée des fabricants de batteries, des grandes entreprises chimiques et des entreprises minières en amont dans le domaine des matériaux cathodiques, la concurrence dans l'ensemble de l'industrie pourrait s'intensifier et la structure globale de l'industrie pourrait encore subir des changements majeurs.

Le paysage concurrentiel de l'industrie des matériaux cathodiques ternaires est dispersé mais stable. Actuellement, la capacité de production mondiale de matériaux ternaires est principalement située en Chine, en Corée du Sud et au Japon. En 2021, les expéditions de matériaux ternaires de la Chine représenteront 58,77% des expéditions mondiales de matériaux ternaires, soit plus de la moitié du total.

Les produits sont principalement des NCM, les matériaux ternaires du Japon sont principalement des NCA, et la Corée du Sud possède à la fois des NCM et des NCA. En 2021, les trois principales parts de marché des matériaux cathodiques ternaires en Chine sont Rongbai Technology, Dangsheng Technology et Tianjin Bamo.

2 orientations de développement des matériaux cathodiques

Deux axes de développement des matériaux cathodiques

Avec l'amélioration continue des exigences de performance en aval pour les piles au lithium, les matériaux de cathode inaugureront une nouvelle série d'itérations et de mises à niveau technologiques. Les deux voies techniques représentées par le phosphate de fer et de manganèse au lithium et le ternaire à haute teneur en nickel sont les plus claires. La batterie lithium fer manganèse phosphate est attendue pour l'année prochaine. À partir des applications commerciales, la proportion de ternaire à haute teneur en nickel dans les batteries ternaires continuera d'augmenter.

Le phosphate de lithium, de fer et de manganèse est l'orientation de la mise à niveau.

La densité énergétique des batteries au phosphate de fer lithié est très élevée. Le phosphate de fer et de manganèse (LMFP) est une version améliorée du phosphate de fer et de lithium. Le phosphate de fer et de manganèse (LiMnxFe1-xPO4) est un nouveau type de phosphate formé par dopage d'une certaine proportion de manganèse (Mn) sur la base du phosphate de fer et de lithium (LiFePO4). Matériaux pour cathodes de batteries lithium-ion.

Grâce au dopage de l'élément manganèse, les avantages du fer et du manganèse peuvent être combinés efficacement, et le dopage du manganèse et du fer n'affectera pas de manière significative la structure originale. La densité énergétique élevée est le principal avantage du phosphate de lithium fer manganèse par rapport au phosphate de lithium fer.

La capacité théorique en grammes (170mAh/g) du phosphate de fer lithié et du phosphate de fer lithié et de manganèse est la même, mais la plate-forme de décharge est différente. La tension de décharge en circuit ouvert des ions manganèse dans le phosphate de fer lithium-manganèse est de 4,1 V, et la plate-forme de décharge globale du phosphate de fer lithium-manganèse est de 3,8 à 4,1 V.

La plate-forme de décharge théorique du phosphate de fer lithié est de 3,4 V, et le niveau réel est de 3,2 à 3,3 V. Comparé au phosphate de fer lithié, le phosphate de fer lithié et de manganèse a une plate-forme de tension plus élevée, et sa densité énergétique peut être supérieure d'environ 15% à celle du phosphate de fer lithié, tout en conservant les caractéristiques de sécurité et de faible coût des piles au phosphate de fer lithié.

La tendance à une forte nickelisation de la cathode ternaire

La tendance à une forte nickelisation de la cathode ternaire

Ceux dont le rapport entre les éléments Ni est égal ou supérieur à 60% sont appelés matériaux ternaires à haute teneur en nickel. Le ternaire à haute teneur en nickel continuera à se développer pour devenir la technologie de base des véhicules à longue autonomie. Avec le développement des technologies connexes et l'intégration des fonctions de la plate-forme automobile, les véhicules à énergie nouvelle continueront à évoluer vers une densité énergétique plus élevée et une plus grande autonomie à l'avenir.

La tendance au développement des batteries lithium-ion devient de plus en plus évidente. Selon les données, en 2021, les matériaux cathodiques ternaires chinois seront toujours dominés par les produits à haute tension de la série Ni5, représentant 46%, suivis par les produits à haute teneur en nickel de la série Ni8, représentant 36%, et les produits de la série Ni6 représentant 16%.

D'un point de vue technique, le ternaire à haute teneur en nickel présente des obstacles techniques plus importants que les autres matériaux cathodiques. Il nécessite non seulement une technologie de recherche et de développement plus élevée, mais aussi des capacités technologiques d'ingénierie plus efficaces et plus stables et un niveau de gestion de la production plus raffiné.

Du point de vue de la densité énergétique, après l'introduction de matériaux cathodiques à très haute teneur en nickel, la densité énergétique de la cellule de batterie a atteint 300-400 Wh/kg, ce qui creuse l'écart avec la cellule de batterie au phosphate de fer-lithium et permet de mieux répondre aux exigences des véhicules à énergie nouvelle. Exigences en matière de développement intelligent.

Du point de vue du coût, les matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en nickel utilisent moins de cobalt métal, ce qui réduit le coût des matières premières et entraîne une diminution du coût unitaire des batteries ternaires au lithium à haute teneur en nickel, ce qui est propice à la popularisation des véhicules à énergie nouvelle. En ce qui concerne les batteries à forte teneur en nickel, les principaux acteurs tels que CATL, Panasonic, LG Energy, Samsung SDI, SKI, etc. ont produit en masse et fourni des batteries NCM et NCA d'une teneur en nickel supérieure à 80%, et visent une teneur en nickel supérieure à 90% pour les batteries à très forte teneur en nickel.

Autres voies technologiques pour les matériaux cathodiques

Autres voies technologiques pour les matériaux cathodiques

Matériaux cathodiques à base de manganèse riche en lithium : Ils présentent les caractéristiques suivantes : densité énergétique élevée, faible coût et respect de l'environnement. Il s'agit d'une orientation possible pour le développement de matériaux cathodiques à l'avenir. Sa capacité spécifique peut atteindre 300mAh/g, ce qui est beaucoup plus élevé que l'application commerciale actuelle du phosphate de fer lithié. La capacité de décharge spécifique des matériaux de cathode tels que les matériaux ternaires et les matériaux ternaires est la clé technique pour que la densité énergétique des piles au lithium de puissance dépasse 400Wh/kg.

Parallèlement, les matériaux à base de manganèse riche en lithium sont principalement basés sur l'élément manganèse, moins cher, et contiennent moins de métaux précieux. Par rapport aux matériaux cathodiques ternaires à base d'oxyde de cobalt-lithium et de nickel-cobalt-manganèse couramment utilisés, le coût est non seulement inférieur, mais la sécurité est également meilleure.

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