Desarrollo del mercado de baterías 4680 y análisis de la cadena industrial

El desarrollo de la pila cilíndrica puede dividirse en tres generaciones

La batería de iones de litio se refiere a la batería secundaria (una de las las mejores pilas recargables) con litio como portador de energía, que depende principalmente de que el ion de litio se desplace entre el polo positivo y el polo negativo para lograr la carga y la descarga. La estructura y los principios de carga y descarga de los distintos tipos de baterías de iones de litio son básicamente los mismos, con la diferencia principal de los materiales del cátodo.

La batería de potencia se divide en batería ternaria y batería de litio hierro fosfato en función de los diferentes materiales del cátodo. El material catódico ternario se refiere al material catódico compuesto de níquel, cobalto y manganeso. El desarrollo de las pilas cilíndricas puede dividirse en tres generaciones según el tamaño de la pila:

• La primera generación: batería de potencia cilíndrica 18650 (2008)
• Segunda generación: batería de alimentación 21700 (2017)
• La tercera generación: Batería de alimentación 4680 (2019)

En 2020, el volumen de ventas de baterías de energía cilíndrica de China se recuperó, principalmente debido a la producción a gran escala de Tesla. LGES apoyó la producción en masa de 21700 baterías cilíndricas de Tesla en su base de Nanjing en China; En 2022H1, la capacidad instalada de batería de energía cilíndrica fue de alrededor de 4.43GWh, una disminución de 17%.

Batería cilíndrica 4680 de excelente rendimiento

La batería cilíndrica 4680 tiene las características de alta energía específica, carga rápida, alta seguridad, bajo coste y larga vida útil. La batería de energía cilíndrica aumenta el níquel y disminuye el cobalto mediante materiales catódicos ternarios, y el cátodo de grafito está dopado con óxido de silicio. La densidad energética de la batería simple sigue a la cabeza.

• Carga rápida:

Basándose en el diseño de terminal de polo completo de la batería cilíndrica 4680, se mejoran las áreas conductoras y conductoras térmicas, y se puede realizar la carga de alta corriente 4C-6C, que es significativamente superior a la de las baterías cuadradas y blandas.

• Alta seguridad:

La batería cilíndrica 4680 tiene una gran consistencia, lo que reduce el peligro de sobrecarga, sobredescarga y sobrecalentamiento local; La estructura de arco circular favorece el aislamiento térmico entre las baterías, y la barrera contra el desbordamiento térmico es buena.

• Bajo coste:

Gracias al proceso de electrodo seco y a nuevos materiales, como los materiales de electrodo positivo de níquel ultra alto y los materiales de electrodo negativo de carbono de silicio, el coste de la batería cilíndrica 4680 se ha reducido considerablemente.

• Larga vida útil:

La vida útil de la batería 4680 es de unas 2000 veces, y la consistencia de la batería individual es buena. La vida útil total del sistema de baterías es relativamente larga y satisface la demanda de energía de los vehículos de pasajeros.

En 2022, la fábrica de Tesla Texas Q2 ha comenzado a entregar el Modelo Y con el paquete de baterías 4680. En el tercer trimestre de 2022, la empresa ha producido más de 1000 juegos de paquetes de baterías 4680 cada semana. Sobre la base de 690 baterías del Modelo Y de resistencia estándar, la capacidad de producción anual es de 3,4 GWh, que se espera que alcance los 6,8-10,2 GWh a finales de año. Sin embargo, aún queda mucho margen de crecimiento respecto al objetivo a largo plazo de Tesla de 1000GWh.

Tendencia de desarrollo

Reducción de costes

En conjunto, se apoyan los materiales de los electrodos positivo y negativo y los equipos del proceso de producción, y se espera que los costes de inversión en producción y equipos se reduzcan a la mitad. Tesla está promoviendo enérgicamente a Panasonic, LGES y otros proveedores de baterías para que fabriquen y desarrollen baterías cilíndricas de gran tamaño de la serie 46.

Mediante el uso de materiales de electrodos positivos sin cobalto, materiales de electrodos negativos de carbono de silicio y tecnología de recubrimiento de polímeros iónicos, Tesla está reduciendo conjuntamente el coste del consumo de energía de la batería de $110-120 a $48-53, una disminución de 56%.

Con referencia al coste de inversión de Panasonic, LGES y Samsung SDI en la línea de producción de EE.UU., La inversión en equipos de una sola línea de producción de GWh disminuyó de $109-133 millones de dólares a $34-042 millones de dólares, una disminución de 69%.

Sinergias

El gran esquema de terminales cilíndricos de polo completo reduce la resistencia interna/aumenta la conducción del calor, lo que puede realizar una carga rápida de 4C-6C, y el tiempo de carga rápida se reduce a 15 minutos. La batería cilíndrica 4680 tiene alta consistencia y buena barrera térmica.

La batería cilíndrica se fabrica mediante el proceso de bobinado, y la eficiencia de la producción se mejora acelerando la velocidad de rotación, mientras que la mejora de la eficiencia del proceso de apilamiento de la bolsa y la carcasa cuadrada es limitada. Hay 5 empresas de baterías apilables del mundo.

Las baterías cilíndricas 4680 tienen una pequeña área de contacto y una buena barrera térmica cuando están agrupadas. Desde la perspectiva del monómero, la carcasa de la batería cilíndrica se calienta uniformemente durante la expansión térmica, y no habrá abultamiento lateral, deformación y otros problemas que afecten a la vida útil de la batería.

Desde el punto de vista del módulo, la batería cilíndrica está dispuesta en forma de panal y las celdas eléctricas están rellenas de pegamento aislante térmico. La superficie de contacto entre las células eléctricas es prácticamente nula. El calor debe pasar a través del pegamento y transmitirse a las celdas eléctricas circundantes. Las celdas eléctricas tienen un buen efecto de aislamiento térmico, lo que puede evitar que el calor se propague de forma descontrolada, mejorando así de forma eficaz la seguridad del embalamiento térmico de la batería.

La estructura cilíndrica es adecuada para el carbono de níquel/silicio ultraalto, lo que mejora aún más la densidad energética de la batería. En la actualidad, la batería cilíndrica 4680 utiliza polo positivo NCM811 y polo negativo de grafito artificial. La densidad energética de la batería alcanza los 244 Wh/kg, que es 9,2% inferior a la de la batería cilíndrica Panasonic 21700 madura.

Sin embargo, en el futuro, la densidad energética puede aumentarse hasta 292 Wh/kg reduciendo el grosor de la pared de la carcasa y utilizando polo negativo de silicio-carbono.

Mercado

Desde la perspectiva de la capacidad de producción y la previsión de planificación, 4680 líneas de producción de Tesla, Panasonic, LGES, Samsung SDI, EVE, CATL y otras empresas se pondrán en producción sucesivamente de 2022 a 2024. Tesla es la primera en alcanzar la producción en masa.

A finales de este año, alcanzará inicialmente unos 10GWh de capacidad, seguida de Panasonic. Se espera que en marzo del próximo año alcance inicialmente una capacidad de 10GWh 4680 baterías cilíndricas y ampliar gradualmente su capacidad.

LGES, Samsung SDI y EVE aceleran la construcción de líneas de producción de baterías cilíndricas grandes de la serie 46, con unas líneas de producción previstas de unos 10GWh. CATL espera construir una nueva línea de producción de baterías cilíndricas grandes de la serie 46 de 12GWh para 2024 y alcanzar la producción en masa.

Se estima que el volumen global de ventas de Tesla superará los 4 millones en 2025, con un crecimiento medio anual de 44%. La producción mundial de vehículos de nueva energía de Tesla alcanzará los 144,6 millones, 199,4 millones, 271,0 millones y 4,005 millones respectivamente de 2022 a 2025. El aumento del crecimiento en 2025 se debe principalmente a la mayor capacidad de las nuevas fábricas y los nuevos modelos.

Además de Tesla, muchas empresas automovilísticas se muestran optimistas sobre la aplicación en el mercado de las baterías cilíndricas de la serie 46. BMW, Rimac, NIO, JAC y otras empresas automovilísticas están instalando enérgicamente grandes cilindros de la serie 46. BMW ha llegado a un acuerdo de suministro de baterías cilíndricas grandes de la serie 46 con EVE, CATL y Envision AESC, respectivamente, de septiembre a octubre.

La escala total supera los 110 GWh. Sobre la base de 100kWh de cada vehículo, el volumen total de producción y carga alcanza 1,1 millones de vehículos. En 2025, la capacidad instalada de grandes cilindros de la serie 46 en el mundo superará los 200GWh, y el tamaño del mercado superará los 100.000 millones.

Cadena industrial

La batería cilíndrica de gran tamaño de la serie 46 presenta una evidente reducción de costes y un aumento de la eficiencia, tiene amplias perspectivas de mercado y un gran impacto en la cadena de la industria de baterías. Nos centramos en nuevas líneas de producción y procesos como la fabricación de baterías de litio, materiales catódicos de níquel ultra alto, materiales catódicos de carbono silicio y la nueva sal de litio LiFSI.

Fabricación de pilas de litio

Técnicamente, todas las baterías cilíndricas de gran tamaño de la serie 46 utilizan níquel+carbono de silicio de alto contenido en níquel como principales materiales positivos/negativos. El cátodo Tesla utiliza el cátodo NCM de alto contenido en níquel de la serie 9, y el objetivo posterior es desarrollar materiales catódicos binarios sin cobalto, concretamente el cátodo de níquel manganeso (NMx);

LGES selecciona NCMA cuaternario de alto contenido en níquel de la serie 9; Panasonic y Samsung SDI utilizan NCA; CATL, EVE y SKI utilizan NCM de alto contenido en níquel, y en el futuro se utilizará la serie 9. El material del electrodo negativo es carbono silicio dopado con óxido de silicio 12% - 15%, con una capacidad de 550mAh/g.

Desde el nivel de producto, Tesla ha logrado 4680 de carga en la actualidad, y es probable que logre la producción en masa en 2023. En 2022, Q3 Tesla producirá alrededor de 1000 conjuntos de baterías 4680 cada semana, con una capacidad de producción anual de 3,5GWh. Se estima que la capacidad de producción alcanzará los 6,8-10,2GWh a finales de año.

Desde la perspectiva del mercado, 2023 será el primer año de desarrollo de las baterías cilíndricas de gran capacidad de la serie 46, y la capacidad instalada superará los 200 GWh en 2025. Se prevé que la capacidad instalada de baterías cilíndricas de gran tamaño de la serie 46 alcance los 207,8 GWh en 2025, y que la escala del mercado supere los 100.000 millones de RMB.

Desde el punto de vista de la competencia entre empresas, las cuotas de los tres cilindros gigantes de Japón y Corea del Sur son líderes en el mundo, y el 4680 de Tesla, fabricado por la propia empresa, ha impulsado la reaparición del cilindro grande.

Según los datos, en 2021, el mercado mundial de baterías cilíndricas estaba ocupado principalmente por Panasonic, LG y Samsung SDI, y Panasonic y LG liderarán por las ventas de vehículos de nueva energía Tesla.

Tesla comenzó a cargar 4680 vehículos en el segundo trimestre del año 22, con una capacidad de alrededor de 10GWh a finales de año. Los principales fabricantes de baterías han seguido el campo de la batería grande de la serie 46 extra, incluyendo Panasonic, LG, Samsung SDI, CATL, EVE, y Bak.

Desde el punto de vista de la cadena de suministro, la tecnología de los materiales previos está muy madura y la capacidad de las líneas de producción de baterías no deja de aumentar. La promoción de la 4680 puede afectar al modelo de batería dominado por las celdas cuadradas en China. Las empresas con capacidad de producción de baterías cilíndricas y acumulación de procesos en China tienen la ventaja de ser las primeras.

Materiales catódicos con alto contenido en níquel

El desarrollo de materiales catódicos de níquel ultra alto incluye principalmente los siguientes aspectos:

• El material cuaternario NCMA (níquel cobalto manganeso aluminio) favorece la mejora de la vida útil del ciclo
• El alto contenido en níquel puede reducir los costes y aumentar la eficiencia, lo que constituye la tendencia de desarrollo de los materiales catódicos ternarios.
• Los productos con alto contenido en níquel tienen mayores barreras técnicas, y las empresas de materiales catódicos con tecnología avanzada tienen potencial de desarrollo.
• Los productos de electrodo positivo ternario de alto contenido en níquel tienen una alta viscosidad para el cliente

Desde la perspectiva del desarrollo empresarial global, los ingresos de explotación de Easpring, Huayou Cobalt, BTR y CNGR han logrado un rápido crecimiento. Easpring se dedica principalmente a los materiales catódicos ternarios. De 2018 a 2021, sus ingresos comerciales en el extranjero crecieron rápidamente, con una tasa de crecimiento anual promedio de 53,9%.

Huayou Cobalt se dedica principalmente al cobalto, níquel, precursor ternario, cobre, etc., y desarrolla negocios de desarrollo de recursos de litio de níquel cobalto en Congo (RDC), Indonesia y otros países y regiones, con un crecimiento anual promedio de 58,9% de 2018 a 2021.

Material de ánodo de carbono silicio

Técnicamente, el electrodo negativo de carbono silicio puede mejorar eficazmente la densidad energética de la batería. La comercialización del cátodo de las baterías de iones de litio está dominada por el grafito artificial/natural, con una capacidad por gramo de 365mAh/g, que se acerca a su límite teórico de capacidad específica de 372mAh/g, mientras que la capacidad específica teórica del silicio es de hasta 4200mAh/g, que es más de 10 veces la de los materiales de ánodo de grafito.

No hay potencial de evolución del litio, y su seguridad es mejor que la de los materiales de ánodo de grafito. También es rico en reservas y de bajo coste. Es la próxima generación más prometedora de materiales para cátodos de baterías de litio.

Desde el punto de vista del mercado, el ánodo de silicio-carbono comercial es adecuado para las pilas cilíndricas, y la producción masiva de pilas impulsa el rápido crecimiento de la demanda de ánodo de silicio-carbono.

Como las celdas cuadradas y las celdas empaquetadas blandas son muy sensibles a la expansión, mientras que el cilindro 4680 tiene las ventajas de tensión uniforme, alto grado de automatización, alta tolerancia a la expansión y alto grado de automatización en la fabricación, las ventajas del electrodo negativo de carbono silicio y el electrodo positivo ternario de alto níquel con alta densidad de energía son más prominentes en la aplicación de celdas cilíndricas.

Desde la perspectiva de la cadena de suministro, la producción en masa de baterías 4680 es inminente, y se espera que aumente la demanda de baterías cilíndricas de potencia.

Nueva sal de litio LiFSI

Desde el punto de vista técnico, se han mejorado los requisitos del 4680 de alto contenido en níquel y alto voltaje sobre el rendimiento del electrolito. En primer lugar, aumenta el contenido de níquel en el material del cátodo. Como el ion níquel 4-valente tiene un alto potencial redox, catalizará la oxidación y descomposición del electrolito, afectando al rendimiento de la batería.

En segundo lugar, los metales de transición como el manganeso y el cobalto se disolverán durante el proceso de ciclado del sistema de baterías de alto contenido en níquel, lo que dañará la película SEI de la superficie del electrodo negativo. Por lo tanto, deben añadirse aditivos como retardantes de sobrecarga y de llama a la batería de alto contenido en níquel para mejorar su seguridad.

Difluorosulfonilimida de litio (LiFSI) se considera el mejor sustituto, especialmente adecuado para materiales de electrodos activos como el electrodo positivo de alto contenido en níquel y el electrodo positivo de alto voltaje. Puede aumentar considerablemente el número de cargas y descargas de la batería, mantener la estabilidad y mejorar la seguridad. Se espera que su permeabilidad siga aumentando.

La LiFSI tiene excelentes propiedades, como buena estabilidad estructural y rendimiento electroquímico, y se ha convertido en una nueva sal de litio con el proceso de industrialización más rápido.

En comparación con el LiPF6, el LiFSI presenta las siguientes ventajas:

• LiFSI tiene una mayor estabilidad térmica, su punto de fusión es de 145 ℃, y su temperatura de descomposición es superior a 200 ℃, lo que puede soportar una mayor temperatura de trabajo e inhibir la expansión del aire;
• La LiFSI tiene una alta conductividad, de hasta 9,8 ms/cm (la LiPF6 es de sólo 6,8 ms/cm), lo que ayuda a reducir la resistencia interna de la batería, disminuir la generación de calor y mejorar la eficiencia y la seguridad;
• LiFSI tiene una buena compatibilidad con la membrana SEI, y tiene una alta estabilidad química con electrodos positivos y negativos. Sólo cuando la temperatura es superior a 160 ℃, tendrá reacción de desplazamiento con algunos de sus componentes.

En la actualidad, la cantidad de LiFSI como aditivo es cada vez mayor. En la actualidad, solo las empresas de baterías de primera línea y las principales empresas de electrolitos tienen varias formulaciones de LiFSI como aditivo y sales de litio, mientras que la mayoría de las empresas de segunda línea solo tienen formulaciones como aditivo.

El LiFSI puede utilizarse como sal electrolítica de litio de dos maneras: en primer lugar, puede utilizarse como aditivo del electrolito común LiPF6; en segundo lugar, el LiPF6, como nuevo electrolito, se encuentra aún en fase de laboratorio.