Relatório de investigação da indústria de materiais para cátodos de baterias de lítio

Relatório de investigação da indústria de materiais para cátodos de baterias de lítio

Índice

As baterias de lítio são compostas principalmente por materiais catódicosO material do elétrodo positivo é o material do elétrodo positivo, os materiais do ânodo, os separadores, os electrólitos e os invólucros da bateria. O material do elétrodo positivo é o fator decisivo para o desempenho eletroquímico das baterias de lítio, que determina diretamente a densidade energética e a segurança da bateria, o que, por sua vez, afecta o desempenho global da bateria.

Os materiais do cátodo representam a maior parte do custo dos materiais da bateria de lítio, representando 45%, e o seu custo também determina diretamente o custo global da bateria. Por conseguinte, os materiais do cátodo desempenham um papel importante na bateria de lítio e conduzem diretamente ao desenvolvimento da indústria da bateria de lítio.

Na composição dos custos dos veículos eléctricos, o sistema de energia representa a maior parte, perto de 50%. O sistema de energia é composto principalmente por bateria, motor e controlo eletrónico, sendo a bateria o núcleo, responsável por 76% do custo, o motor por 13% e o controlo eletrónico por 11%.

Na composição de custos do sistema de bateria, o elétrodo positivo representa cerca de 45% do custo da bateria, o elétrodo negativo representa cerca de 10% do custo da bateria, o separador representa cerca de 10% do custo da bateria e o eletrólito representa cerca de 10% do custo da bateria. O rácio é de cerca de 10%, e os outros ingredientes representam cerca de 25%.

A composição do material do elétrodo positivo

Os materiais do cátodo da bateria de lítio incluem principalmente materiais activos, agentes condutores, solventes, aglutinantes, colectores de corrente, aditivos, materiais auxiliares, etc. As principais matérias-primas dos materiais do elétrodo positivo incluem sulfato de níquel, sulfato de manganês, sulfato de cobalto, níquel metálico, carbonato de lítio para baterias, hidróxido de lítio para baterias, e os principais materiais auxiliares incluem soda cáustica, água de amoníaco, ácido sulfúrico, etc. Estas matérias-primas e materiais auxiliares são principalmente produtos químicos a granel. A oferta do mercado é relativamente suficiente.

Classificação dos materiais catódicos

Classificação dos materiais catódicos

As baterias de lítio são divididas de acordo com o sistema de material catódico, que geralmente pode ser dividido em óxido de lítio-cobalto (LCO), manganato de lítio (LMO), fosfato de lítio-ferro (LFP), materiais ternários manganato de níquel-cobalto-lítio (NCM) e aluminato de níquel-cobalto-lítio (NCA), etc. Entre eles, o fosfato de lítio e ferro é utilizado principalmente no mercado de baterias para veículos de energia nova e de armazenamento de energia, e os materiais ternários são amplamente utilizados no mercado de baterias para veículos de passageiros de energia nova, bicicletas eléctricas e ferramentas eléctricas.

Diferentes materiais catódicos têm diferentes vantagens e desvantagens. Os materiais do cátodo de óxido de lítio-cobalto têm um bom desempenho eletroquímico e de processamento, bem como uma capacidade específica relativamente elevada, mas os materiais de óxido de lítio-cobalto têm um custo elevado (o cobalto metálico é caro) e um ciclo de vida baixo. O desempenho em termos de segurança é fraco.

Comparado com o cobalto de lítio, o manganato de lítio tem as vantagens de recursos abundantes, baixo custo, ausência de poluição, bom desempenho em termos de segurança e bom desempenho em termos de taxa. No entanto, a sua baixa capacidade específica, o fraco desempenho do ciclo, especialmente o desempenho do ciclo a alta temperatura, tornam a sua aplicação muito limitada.

O fosfato de lítio e ferro é económico, amigo do ambiente, tem um elevado desempenho em termos de segurança, boa estabilidade estrutural e desempenho em termos de ciclos, mas a sua densidade energética é baixa e o seu desempenho a baixas temperaturas é fraco. O material ternário de níquel-cobalto-manganês combina as vantagens do cobaltato de lítio, do níquelato de lítio e do manganato de lítio. Em comparação com os materiais catódicos, como o fosfato de ferro-lítio e o manganato de lítio, os materiais ternários têm maior densidade energética e maior autonomia de cruzeiro.

Cadeia industrial do material catódico

O material do elétrodo positivo é a matéria-prima mais importante para as baterias de iões de lítio. A montante do material do elétrodo positivo para as baterias de lítio estão o lítio, o cobalto, o níquel e outras matérias-primas minerais, que são combinadas com agentes condutores e aglutinantes para produzir precursores. O precursor é sintetizado através de um determinado processo para obter um material de elétrodo positivo, que é utilizado em diferentes campos.

Os materiais catódicos da bateria de lítio são o fator decisivo para o desempenho eletroquímico da bateria de lítio e desempenham um papel importante na densidade energética e no desempenho de segurança da bateria, sendo o custo dos materiais catódicos também elevado. Os campos de fabrico de baterias de lítio a jusante dividem-se principalmente em baterias de lítio para energia, baterias de lítio para consumo e baterias de lítio para armazenamento de energia, que são utilizadas em veículos de energia nova, telemóveis, computadores portáteis e estações de armazenamento de energia.

Dimensão do mercado dos materiais catódicos

Dimensão do mercado dos materiais catódicos

Devido ao aumento acentuado dos preços do lítio, do cobalto, do níquel e de outros metais a montante, os preços dos materiais catódicos também aumentaram acentuadamente. Em 2021, o valor de produção dos materiais catódicos na China atingirá 141,91 mil milhões de RMB, um aumento anual de 123,1%, excedendo o aumento do valor de produção em 2017.

De acordo com os dados, em 2021, as remessas de materiais de cátodo de bateria de íon-lítio da China serão de 1,094 milhão de toneladas, um aumento significativo de 98,5% ano a ano. Entre eles, a remessa de materiais de cátodo de fosfato de ferro e lítio foi de 455.000 toneladas, representando 41,6%, e a remessa de materiais de cátodo ternário é de 422.000 toneladas, representando 38,6%. A expedição de fosfato de ferro-lítio ultrapassou a de materiais de cátodo ternário. Os especialistas prevêem que, até 2025, as remessas de materiais catódicos da China chegarão a 4,71 milhões de toneladas, e o mercado tem grande espaço para crescimento.

Cenário competitivo dos materiais catódicos

O cátodo tem a concorrência mais intensa entre os quatro principais materiais, e a concentração da indústria é relativamente dispersa. Em 2020, os materiais catódicos CR6 atingirão 38%, e a concentração da indústria é apenas metade da dos separadores, electrólitos e ânodos.

Do ponto de vista do padrão geral de concorrência da indústria, o rápido crescimento das remessas de materiais de cátodo de fosfato de ferro de lítio fez de Hunan Yuneng e Defang Nano o primeiro e segundo lugar em toda a indústria de materiais de cátodo em 2021, respetivamente. No futuro, à medida que as empresas de baterias, as grandes empresas químicas e as empresas mineiras a montante entram no domínio dos materiais catódicos, a concorrência em toda a indústria pode tornar-se mais intensa e o padrão global da indústria pode ainda sofrer grandes alterações.

O panorama competitivo da indústria de materiais catódicos ternários é disperso mas estável. Atualmente, a capacidade mundial de produção de materiais ternários está localizada principalmente na China, Coreia do Sul e Japão. Entre eles, em 2021, as remessas de material ternário da China representarão 58,77% das remessas de material ternário do mundo, representando mais de metade do total.

Os produtos são principalmente NCM, os materiais ternários do Japão são principalmente NCA, e a Coreia do Sul tem tanto NCM como NCA. Em 2021, as três principais quotas de mercado de materiais catódicos ternários na China são a Rongbai Technology, a Dangsheng Technology e a Tianjin Bamo.

2 direcções de desenvolvimento dos materiais catódicos

Duas direcções de desenvolvimento dos materiais catódicos

Com a melhoria contínua dos requisitos de desempenho a jusante das baterias de lítio, os materiais catódicos darão início a uma nova ronda de iterações e actualizações tecnológicas. As duas vias técnicas representadas pelo fosfato de lítio-ferro-manganês e pelo ternário com elevado teor de níquel são as mais claras. A bateria de fosfato de lítio-ferro-manganês está prevista para o próximo ano. A partir das aplicações comerciais, a proporção de ternário com elevado teor de níquel nas baterias ternárias continuará a aumentar.

O fosfato de lítio, ferro e manganês é a direção da atualização

A densidade energética das baterias de fosfato de lítio e ferro é muito elevada. O fosfato de lítio e ferro manganês (LMFP) é uma versão melhorada do fosfato de lítio e ferro. O fosfato de lítio-manganês-ferro (LiMnxFe1-xPO4) é um novo tipo de fosfato formado pela dopagem de uma certa proporção de manganês (Mn) com base no fosfato de lítio-ferro (LiFePO4). Materiais do cátodo de baterias de iões de lítio.

Através da dopagem do elemento manganês, por um lado, as vantagens do ferro e do manganês podem ser eficazmente combinadas e, por outro lado, a dopagem do manganês e do ferro não afectará significativamente a estrutura original. A elevada densidade energética é a principal vantagem do fosfato de lítio ferro manganês em comparação com o fosfato de lítio ferro.

A capacidade teórica em gramas (170mAh/g) do fosfato de ferro-lítio e do fosfato de ferro-manganês-lítio é a mesma, mas a plataforma de descarga é diferente. A plataforma de descarga de tensão de circuito aberto dos iões de manganês no fosfato de lítio-manganês-ferro é de 4,1V e a plataforma de descarga global do fosfato de lítio-manganês-ferro é de 3,8V-4,1V.

A plataforma de descarga teórica do fosfato de lítio e ferro é de 3,4V, e o nível atual é de 3,2-3,3V. Em comparação com o fosfato de lítio e ferro, o fosfato de lítio e ferro manganês tem uma plataforma de tensão mais elevada e a sua densidade energética pode ser cerca de 15% superior à do fosfato de lítio e ferro, mantendo as características de segurança e de baixo custo das células de fosfato de lítio e ferro.

A tendência de elevada niquelização do cátodo ternário

A tendência de elevada niquelização do cátodo ternário

Os materiais com um rácio de elementos Ni de 60% e superior são designados materiais ternários com elevado teor de níquel. Os materiais ternários com alto teor de níquel continuarão a tornar-se a principal tecnologia para veículos de longo alcance. Com o desenvolvimento de tecnologias relacionadas e a integração das funções da plataforma do veículo, os veículos de energia nova continuarão a desenvolver-se no sentido de uma maior densidade energética e de um maior alcance de cruzeiro no futuro.

A tendência de desenvolvimento das baterias de iões de lítio está a tornar-se cada vez mais óbvia. De acordo com os dados, em 2021, os materiais de cátodo ternário da China ainda são dominados por produtos da série Ni5 de alta tensão, representando 46%, seguidos por produtos de níquel alto da série Ni8, representando 36%, e produtos da série Ni6 representando 16%.

Do ponto de vista técnico, o ternário com elevado teor de níquel apresenta barreiras técnicas mais elevadas do que outros materiais catódicos. Requer não só uma tecnologia de investigação e desenvolvimento mais elevada, mas também capacidades tecnológicas de engenharia mais eficientes e estáveis e um nível de gestão da produção mais refinado.

Do ponto de vista da densidade energética, após a introdução de materiais de cátodo de níquel ultra-elevado, a densidade energética da célula da bateria atingiu 300-400Wh/kg, o que alarga o fosso com a célula da bateria de fosfato de ferro-lítio, que pode satisfazer melhor os requisitos dos novos veículos de energia. Requisitos de desenvolvimento inteligente.

Do ponto de vista do custo, os materiais do cátodo ternário com elevado teor de níquel utilizam menos cobalto metálico, o que reduz o custo das matérias-primas e provoca uma diminuição do custo unitário das baterias de lítio ternárias com elevado teor de níquel, o que favorece a popularização de novos veículos de energia. No sector das baterias com elevado teor de níquel, os principais intervenientes, como a CATL, a Panasonic, a LG Energy, a Samsung SDI, a SKI, etc., produziram e forneceram em massa baterias NCM e NCA com um teor de níquel superior a 80% e visavam um teor de níquel superior a 90% para as baterias de níquel ultra-elevado.

Outras vias tecnológicas de materiais catódicos

Outras vias tecnológicas de materiais catódicos

Materiais catódicos à base de manganês ricos em li: Tem as características de elevada densidade energética, baixo custo e respeito pelo ambiente. É uma possível direção de desenvolvimento de material catódico no futuro. A sua capacidade específica é de 300mAh/g, muito superior à atual aplicação comercial do fosfato de lítio e ferro. A capacidade de descarga específica dos materiais catódicos, como os materiais ternários e os materiais ternários, é a chave técnica para que a densidade energética das baterias de lítio exceda os 400Wh/kg.

Simultaneamente, os materiais à base de manganês ricos em lítio baseiam-se principalmente no elemento manganês, que é mais barato, e têm menor teor de metais preciosos. Em comparação com os materiais catódicos ternários de óxido de lítio-cobalto e níquel-cobalto-manganês normalmente utilizados, o custo não só é mais baixo, como também a segurança é melhor.

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