Informe sobre el sector de las pilas de estado sólido
Conceptos básicos de la industria de las pilas de estado sólido
Concepto de batería de estado sólido
Las baterías de estado sólido son baterías de iones de litio con electrolitos sólidos. En comparación con las baterías de litio tradicionales, la ventaja más destacada de batería de estado sólido es la seguridad. Las pilas de estado sólido son incombustibles, resistentes a altas temperaturas, no corrosivas y no volátiles.
El electrolito sólido es el núcleo de las baterías de estado sólido. Los materiales del electrolito determinan en gran medida los parámetros de rendimiento de las baterías de litio de estado sólido, como la densidad de potencia, la estabilidad de ciclo, el rendimiento de seguridad, el rendimiento a alta y baja temperatura y la vida útil.
Las baterías de iones de litio de estado sólido funcionan igual que las baterías de iones de litio convencionales. La principal diferencia entre ambas es que las electrolito de batería de la batería de estado sólido es sólido, lo que significa que el lugar de migración de los iones de litio se ha transferido al electrolito sólido.
Con el continuo perfeccionamiento de los materiales catódicos, el electrolito sólido puede adaptarse mejor, lo que favorece la mejora de la densidad energética del sistemas de baterías de litio.
Además, el aislamiento del electrolito sólido lo convierte en una buena barrera entre el cátodo y el ánodo de la batería, evitando el cortocircuito causado por el contacto entre el cátodo y el ánodo y actuando como separador.
Clasificación de las pilas de estado sólido
Según la elección del material electrolítico, la batería de estado sólido puede dividirse en tres sistemas electrolíticos: polímero, óxido y sulfuro. Entre ellos, el electrolito polimérico pertenece al electrolito orgánico, el óxido y el sulfuro pertenecen al electrolito cerámico inorgánico.
Según los distintos materiales de ánodo y cátodo, la batería de estado sólido también puede dividirse en batería sólida de iones de litio (que utiliza el sistema actual de materiales de batería de iones de litio, como ánodo de grafito + carbono de silicio, tres cátodos, etc.) y batería sólida de metal de litio (metal de litio como electrodo negativo).
Batería de estado sólido Cadena industrial
La cadena industrial de las baterías de estado sólido es aproximadamente similar a la de las baterías de litio líquido. La principal diferencia entre ambas es que los materiales del ánodo y los electrolitos son distintos en la parte media y baja de la batería, y el cátodo es prácticamente el mismo.
Materiales de cátodo ascendente：
Al igual que las baterías de iones de litio tradicionales, el material del cátodo de las baterías de estado sólido adopta generalmente electrodos compuestos, que incluyen electrolito sólido y agente conductor además de la sustancia activa del electrodo, que desempeña la función de transportar iones y electrones en el electrodo. Según la clasificación de los materiales catódicos, existen principalmente ternarios, fosfato de hierro y litio, cobalto de litio y manganeso de litio.
En 2019, los envíos de materiales ternarios de China representaron la mayor proporción de 47,5%; El segundo es el fosfato de hierro de litio, que representa 21,8%. Se espera que los materiales ternarios con ventajas de densidad de energía reemplacen aún más el mercado de fosfato de hierro y litio.
En la actualidad, los materiales catódicos chinos se encuentran todavía en un estado de plena competencia, y el grado de concentración puede aumentar en el futuro. Las tres primeras empresas en términos de envíos de materiales catódicos en China son Xiamen Tungsten, Tianjin BAMo y Germany Nano, con una cuota de mercado de 11%, 7% y 7% respectivamente. Desde la perspectiva de la tendencia de los precios, el precio global de los materiales ternarios en China muestra una tendencia a la baja.
La demanda terminal principal no se impulsa lo suficiente, y la transmisión superpuesta de liberación de capacidad de materias primas afecta al precio de mercado de los materiales ternarios.
Materiales de ánodo ascendente：
El material del ánodo de la batería de estado sólido se concentra principalmente en materiales del ánodo del metal del litio, materiales del ánodo del carbón y los materiales del ánodo del óxido, incluyendo los materiales del ánodo del metal del litio debido a su alta capacidad y ventajas potenciales bajas para convertirse en uno de los materiales más principales del ánodo en todas las baterías de ión de litio de estado sólido.
Se espera que el uso de ánodos de litio metálico aumente la densidad energética entre 40 y 50%. En la actualidad, la mayor parte de la capacidad mundial de producción de litio se concentra en China, con unas 70%.
Los principales fabricantes mundiales de litio incluyen Ganfeng Lithium, Tianqi Lithium y Livent, que representaron 79% de la capacidad mundial en 2018. Ganfeng Lithium es el mayor productor de litio metálico del mundo, con una capacidad de diseño de 1600 toneladas de litio metálico en 2018 y una producción real de 1519,44 toneladas.
El efecto de vinculación entre el precio del litio y el carbonato de litio es evidente. El menor precio de las materias primas hace que los fabricantes de las fases posteriores presionen a los fabricantes de litio metálico de las fases anteriores para que reduzcan los precios.
Electrolitos ascendentes：
La batería de litio de estado totalmente sólido utiliza un electrolito de estado sólido en lugar del electrolito líquido orgánico tradicional, con lo que se espera resolver fundamentalmente el problema de la seguridad de las pilas de iones de litio . Es una fuente de energía química ideal para vehículos eléctricos y almacenamiento de energía a gran escala. Los tres sistemas electrolíticos de la batería de estado sólido tienen sus propias ventajas e inconvenientes. Entre ellos, las empresas europeas y estadounidenses prefieren los sistemas de óxido y polímero, mientras que las japonesas y coreanas se centran más en resolver los sistemas de sulfuro.
Campo de batería de consumo descendente：
Por ahora, las baterías de estado sólido siguen desarrollándose. En el campo de las aplicaciones, se espera que tomen la delantera por sus ventajas de seguridad y flexibilidad, y se apliquen en el campo de las microbaterías poco sensibles a los costes, como los dispositivos médicos implantables, los sensores inalámbricos, etc.
Tras el progreso tecnológico, penetran gradualmente en la batería de consumo de gama alta. En términos de productos electrónicos de consumo tradicionales, tales como teléfonos móviles, ordenadores, cámaras digitales y otros productos han estado en un mercado relativamente maduro en China.
Con el progreso de la ciencia y la tecnología y la llegada de la ola de inteligencia, los dispositivos inteligentes para llevar puestos se están desarrollando rápidamente. Este crecimiento está impulsado por formas de producto como los smartwatches, los sistemas de monitorización continua de la glucosa, los auriculares inalámbricos y nuevas tecnologías como AR/VR. Como la corriente ascendente de los dispositivos wearables, la demanda de baterías de estado sólido se expandirá con el crecimiento de los dispositivos wearables.
Campo de batería de alimentación descendente：
Con la madurez de los productos de batería de estado sólido, seguirá penetrando en el futuro y se espera que se aplique en el campo de la batería de potencia. Beneficiándose de políticas preferenciales, el mercado chino de vehículos de nueva energía se ha desarrollado rápidamente desde 2014.
En 2020, a pesar de un fuerte descenso en el mercado mundial del automóvil debido al impacto de la pandemia COVID-19, el volumen de ventas de vehículos de nueva energía alcanzó los 3,07 millones de unidades, y la tendencia de desarrollo sigue siendo buena. Entre ellos, los vehículos de nueva energía de China vendieron 1,367 millones de unidades en 2020, un aumento interanual del 10,9%, y han superado el millón de unidades durante tres años consecutivos, ocupando el primer lugar en el mundo durante seis años consecutivos.
Campo de batería de almacenamiento de energía aguas abajo：
Todas las baterías de estado sólido están reconocidas como una de las direcciones tecnológicas emergentes que se espera que rompan el cuello de botella de la tecnología de almacenamiento de energía electroquímica y satisfagan la futura demanda de desarrollo. En términos de almacenamiento de energía electroquímica, las baterías de litio representan 80% del almacenamiento de energía electroquímica.
En combinación con las directrices chinas para el desarrollo energético, se espera que la demanda de almacenamiento electroquímico de energía crezca rápidamente en los campos del lado del usuario y de la conexión a la red de las energías renovables, y las perspectivas de desarrollo de las baterías de estado sólido son brillantes.
La energía de reserva es otra aplicación importante del almacenamiento electroquímico de energía. Con la enérgica promoción de la construcción de estaciones base 5G, también se espera un rápido crecimiento de la demanda de energía de reserva. En mayo de 2020, China contaba con más de 200 000 estaciones base 5G en funcionamiento, y cada semana se añadían más de 10 000 nuevas estaciones base 5G.
Estructura de costes：
El coste total de una batería de estado sólido se compone principalmente del coste del material y del coste de producción de la batería. El coste material incluye el cátodo, el ánodo, el diafragma (si es necesario), el electrolito, el colector, la carcasa, etc., mientras que el coste de producción incluye el diseño de la planta/taller, la energía y el personal/proceso de producción.
Estado de desarrollo de la industria de baterías de estado sólido
Entorno político de la industria de pilas de estado sólido
Hay pocas políticas relevantes dirigidas directamente a la industria de las baterías de estado sólido en China. Las políticas que tienen un mayor impacto en la industria de baterías de estado sólido se centran principalmente en "promover el desarrollo de la industria de baterías de litio" y "promover la mejora de las baterías de potencia de los vehículos de nueva energía".
Las políticas pertinentes afectan indirectamente a la industria de baterías de estado sólido mediante la formulación de planes industriales, la normalización de las normas industriales y la modificación de los sistemas de subvenciones.
La tecnología de fabricación de baterías de iones de litio y productos relacionados es un campo tecnológico prioritario en China. En los últimos años, China ha publicado una serie de planes políticos para promover el progreso del nivel de fabricación y el desarrollo tecnológico de las baterías de iones de litio.
Como nuevo tipo de batería de iones de litio, la eficiencia energética de la batería de estado sólido está más en consonancia con las expectativas de China para la batería de iones de litio, y el desarrollo de sus productos y tecnologías relacionados también se ve profundamente afectado por las políticas chinas relacionadas con la batería de litio.
Entorno técnico de la industria de pilas de estado sólido
La batería de estado sólido es la única forma de desarrollar la batería de litio
En los últimos años, la continua innovación en el campo de las aplicaciones derivadas ha planteado requisitos cada vez más exigentes para la industria de las baterías de litio, y la tecnología de las baterías de litio ha progresado continuamente hacia una mayor energía específica y seguridad.
Desde la perspectiva de la trayectoria de desarrollo de la tecnología de las baterías de litio, la densidad energética alcanzada por las baterías de litio líquido se ha acercado gradualmente a su límite, y las baterías de litio sólido serán la única vía de desarrollo de las baterías de litio.
Desarrollo de la tecnología de pilas de estado sólido
El progreso tecnológico no puede lograrse de la noche a la mañana, y las baterías de estado sólido tienen que evolucionar a partir de las de electrolito líquido. En el proceso, se sustituyen gradualmente algunos materiales y se aplican otros nuevos.
Desde la perspectiva de la trayectoria de desarrollo de la tecnología de baterías de estado sólido, durante el desarrollo de la batería de estado sólido, el material del ánodo y el electrolito ha cambiado mucho, y el diafragma se ha ido eliminando gradualmente, pero el material del cátodo no ha cambiado mucho, y NCM, LCO y otros materiales se siguen aplicando en la batería de estado sólido.
Tendencia de desarrollo comercial de la tecnología de pilas de estado sólido
La tecnología de las baterías de estado sólido se encuentra aún en la fase de transición de la tecnología madura a la industrialización, es decir, la fase de promoción de la tecnología y de verificación de la producción a gran escala. Se prevé de forma preliminar que la tecnología de las baterías de estado sólido se comercializará en 2025 y avanzará gradualmente hacia la siguiente generación de baterías de litio (litio-metal/litio-aire/litio-azufre).
Entorno de desarrollo del sector de las pilas de estado sólido
Historia del desarrollo de la industria de pilas de estado sólido
La investigación teórica se remonta a 1972
La investigación teórica sobre las baterías de iones de litio de electrolito sólido se remonta a la conferencia de la OTAN sobre "Transporte rápido de iones en sólidos", celebrada en 1972 en Belgirate (Italia), donde Steele analizó los criterios básicos de los electrolitos de estado sólido adecuados y señaló el potencial del disulfuro de metales de transición como material catódico para baterías. Ese mismo año, Armand aplicó Li/TiS2 a la difusión de Na+ en el cátodo de grafito ternario con β -alúmina sólida como electrolito, lo que constituyó el primer informe sobre pilas de estado sólido.
Estado de desarrollo de la industria de baterías de estado sólido
La industria está aún en fase de investigación y desarrollo
En la actualidad, más de 50 fabricantes, empresas emergentes e institutos universitarios de investigación de todo el mundo trabajan en la tecnología de las baterías de estado sólido, que aún no se ha comercializado a gran escala.
Se espera que las baterías de litio de estado casi sólido se industrialicen en 2020, y que las baterías de litio de estado totalmente sólido se industrialicen finalmente en 2025. Una de ellas. Las empresas europeas y estadounidenses prefieren los sistemas de óxido y polímero, mientras que las japonesas y coreanas se centran más en los sistemas de sulfuro.
Europa y América
Las empresas automovilísticas europeas y estadounidenses están prestando mucha atención a las start-ups de baterías de estado sólido. Las empresas se han hecho con reservas tecnológicas adquiriendo startups de origen universitario estadounidense que han invertido en baterías de estado sólido, como Solid Power, SolidEnergy Systems, Ionic Materials o Quantum Scape.
Japón y Corea del Sur
Los fabricantes de automóviles japoneses son relativamente precoces en la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido. Toyota, la primera empresa en entrar en el mercado, inició una cooperación con Ilika en 2008, y anunció su cooperación con Panasonic a principios de 2019. Mitsubishi, Nissan, Panasonic y otras empresas han acelerado la disposición de la industria de baterías de estado sólido, para lograr la producción en masa lo antes posible.
China
En la investigación de baterías de estado sólido, las empresas chinas no son tan precoces como Japón, Alemania y Estados Unidos, pero cada vez se han sumado más empresas. Entre los principales participantes se encuentran el Instituto de Química de la Academia China de Ciencias, el Instituto de Energía de Qingdao de la Academia China de Ciencias, el Instituto de Materiales de Ningbo de la Academia China de Ciencias y otras instituciones de investigación, Ganfeng Lithium, CATL y otras empresas de baterías;
Más empresas de otros campos se muestran optimistas sobre la inversión transfronteriza en baterías sólidas, como Wanxiang Group, que se centra en piezas de automóviles, y BYD, un vehículo de nueva energía. Las empresas automovilísticas chinas, junto con las compañías de baterías y los fabricantes de vehículos eléctricos emergentes, están avanzando más rápido, y se espera que las baterías de estado sólido estén instaladas en los vehículos eléctricos para 2025.
Se espera que los fabricantes de automóviles tradicionales BAIC y BYD implanten baterías de estado sólido. Las nuevas empresas automovilísticas son más receptivas a las baterías de estado sólido. Nio y Tianji han alcanzado respectivamente acuerdos de cooperación con Taiwan Huineng Technology para desarrollar conjuntamente baterías de energía. Nezha Cars también anunció anteriormente planes de cooperación con Qingtao Energy.
Tendencia de desarrollo de la industria de baterías de estado sólido
Dirección de planificación del desarrollo de la industria de baterías de estado sólido
Con la mejora continua de los requisitos para las baterías de litio en los campos de aplicación posteriores, los países buscan el desarrollo de baterías de estado sólido, y los planes pertinentes se van concretando poco a poco.
Entre ellos, Estados Unidos, Japón y Alemania tienen un mejor plan de desarrollo. Entre ellos, Japón y Alemania aspiran a desarrollar baterías totalmente de estado sólido, al tiempo que buscan el desarrollo de otras baterías de nuevo concepto, mientras que Estados Unidos apuesta por la reducción de costes y la aplicación de nuevos materiales catódicos.
En diciembre de 2019, China publicó el Plan de Desarrollo de la Industria de Vehículos de Nuevas Energías (2021-2035), que insta a fortalecer la investigación y el desarrollo y el proceso de industrialización de la batería de estado sólido, llevando la batería de estado sólido al nivel nacional por primera vez.
Desde la planificación actual, los objetivos de desarrollo de las baterías de estado sólido en China son principalmente la mejora de la densidad energética y el progreso del sistema de materiales.
Previsión del espacio de mercado del sector de las pilas de estado sólido
En la actualidad, las empresas mundiales comienzan a aumentar la disposición de investigación de la batería de estado sólido, incluidos los gigantes Volkswagen, BMW, Toyota, etc., así como los gigantes chinos CATL, Ganfeng Lithium, etc., lo que se espera que acelere el proceso de industrialización de la batería de litio de estado sólido.
Según las estimaciones, se espera que la demanda mundial de baterías de estado sólido alcance los 44,2 GWh y los 494,9 GWh en 2025 y 2030, respectivamente, y que el espacio del mercado mundial de baterías de estado sólido supere los 150.000 millones de yuanes en 2030.
La demanda de baterías de estado sólido procede principalmente de las baterías de potencia, las baterías de consumo y las baterías de almacenamiento de energía. El envío de baterías de estado sólido en China está estrechamente relacionado con la demanda de baterías de litio en estos tres campos y la tasa de penetración de las baterías de estado sólido en estos tres campos.
Según la lógica de cálculo, se prevé el envío de baterías de estado sólido en China de 2020 a 2030, y se estima que el envío de baterías de estado sólido en China en 2030 puede superar los 250 GWh.
Con el progreso continuo de la tecnología de baterías de estado sólido, el coste y el precio de las baterías de estado sólido también seguirán disminuyendo. Se puede prever que, para 2030, el espacio de mercado de las baterías de estado sólido en China puede alcanzar los 20.000 millones de yuanes, lo que supone multiplicar por cien la cifra de 2020.
Predicción de la tendencia de desarrollo de la industria de baterías de estado sólido
Teniendo en cuenta la trayectoria de desarrollo de la tecnología de las baterías de litio, los diversos planes, así como el crecimiento de la demanda de baterías de potencia y baterías de almacenamiento de energía, el desarrollo de la industria de baterías de estado sólido se convertirá en una tendencia inevitable.
En el futuro, las tecnologías relevantes de la industria china de baterías de estado sólido seguirán mejorando, y las baterías de estado sólido presentarán también mayor densidad energética, mayor seguridad y menor coste. El momento de la producción a gran escala y el desarrollo comercial de las baterías de estado sólido no está lejos.
