La próxima mina de oro se esconde en la ruta técnica de las baterías de litio
En cuanto al proceso histórico, por pequeño que sea el desarrollo industrial, nunca se ha conseguido de la noche a la mañana. La aplicación de una nueva tecnología requiere mucho tiempo para depositar diligencia. Esto es cierto para la energía fotovoltaica, la energía eólica y las baterías de litio.
A largo plazo, a nivel cognitivo, el mercado secundario de valores es claramente una idea tardía.
El momento en el que la industria está realmente marcando el comienzo de lo más destacado en el mercado secundario está claramente por detrás del desarrollo real de la industria, y es necesario que las empresas representativas crezcan y entren en la fase de negociación del mercado secundario. Después de haber sido promovida por fundadores, pioneros, vendedores, tasadores y seguidores, se ha difundido ampliamente.
Por lo tanto, si quiere ser previsor, debe prestar siempre atención al desarrollo de la industria.
En la actualidad, el desarrollo de las baterías de litio de estado sólido se encuentra en un periodo de ruptura de la industria. (La batería de litio que solemos decir se refiere a una batería de litio que utiliza materiales de electrolito líquido, llamadas baterías de litio líquido, y una batería de litio que utiliza materiales de electrolito sólido se llama baterías de litio de estado sólido, o baterías de estado sólido para abreviar).
En comparación con la atonía del mercado secundario, las baterías de litio de estado sólido no son menos populares en el mercado extrabursátil de capitales que las baterías de litio líquido. Cada pocos días aparecen informes sobre planificación de grandes capacidades de producción, participación en el capital y cooperación.
Por ejemplo, recientemente, Thomas Schmall, miembro del consejo de administración del Grupo Volkswagen, afirmó que la empresa gastará hasta 30.000 millones de euros en la proyectada fábrica europea de células y en asegurarse importantes materias primas.
No sólo eso, muchas empresas han lanzado inversiones a gran escala. Grupos automovilísticos como BMW, Mercedes-Benz, Volkswagen, Hyundai, Toyota, Honda y Nissan consideran el campo de las baterías de litio de estado sólido como la dirección tecnológica de las baterías de sus vehículos eléctricos de próxima generación.
Los principales líderes chinos también han iniciado el avance de las baterías de litio de estado sólido.
Ganfeng Lithium (002460.SZ) declaró en la plataforma de interacción con inversores el 30 de noviembre que las baterías de estado sólido Ganfeng se han instalado en los vehículos eléctricos Dongfeng E70.
Enjie ha invertido 1.300 millones de yuanes en el proyecto de Jiangsu para desarrollar diafragmas recubiertos de electrolito sólido. Xiaomi y Huawei invirtieron conjuntamente en Weilan New Energy, un proveedor de baterías semisólidas.
Las buenas noticias llegaron del lado de la aplicación. La nueva berlina ET7 de Weilai estará equipada con una batería semisólida de 150 kWh con una densidad energética de 360 Wh/kg, y la autonomía superará los 1.000 kilómetros.
Esto significa que la densidad energética se ha incrementado enormemente respecto a la base original, y se ha ampliado la autonomía de conducción. Se ha informado de que Guoxuan Hi-Tech está preparando activamente la producción en serie de baterías semisólidas con una autonomía de más de 1.000 kilómetros.
La competencia de las baterías de litio de estado sólido no sólo se refleja a nivel empresarial, sino que también se eleva al juego a nivel gubernamental. Países de todo el mundo están apoyando vigorosamente la I+D y la disposición industrial de la tecnología de baterías de litio de estado sólido.
En Europa, el gobierno alemán invirtió 1.000 millones de euros para apoyar la I+D y la producción de tecnología de baterías de estado sólido, y muchos líderes del sector del automóvil se han unido a la alianza.
Además, la Unión Europea ha invertido conjuntamente 3.200 millones de euros y recaudado 5.000 millones de euros de inversores privados para el desarrollo de baterías de estado sólido. Estados Unidos, Japón y Corea del Sur han propuesto subvenciones y políticas de apoyo al desarrollo de baterías de litio de estado sólido.
La razón por la que la mayoría de los países promueven enérgicamente el desarrollo de baterías de litio de estado sólido, aparte de ajustarse a la futura dirección de desarrollo, es que la posición de China en la actual vía de las baterías de litio líquido es difícil de sacudir.
Para cambiar esta situación, algunos gobiernos deben ir un paso por delante.
En cuanto al avance de las baterías de estado sólido, el gobierno chino no ha promulgado antes a ciegas las políticas correspondientes.
La ventaja de liderazgo que China ha establecido en el campo de las baterías de litio seguirá disfrutando de beneficios marginales relativamente grandes durante cierto tiempo. La estructura industrial existente tiene en cuenta el coste y la naturaleza del aterrizaje, y es la opción más adecuada.
Sin embargo, ralentización no significa abandono. En el futuro, las baterías de litio avanzarán inevitablemente en la dirección del alto rendimiento, y las baterías de estado sólido se han convertido cada vez más en una vía de desarrollo determinante.
Por tanto, mientras disfrutamos de los dividendos de la industria de las baterías de litio líquido, también debemos desarrollar activamente nuevas tecnologías.
En noviembre de 2020, el "Plan de Desarrollo de la Industria Automovilística de Nuevas Energías (2021-2035)" publicado por el gobierno chino exige claramente "acelerar la I+D y la industrialización de la tecnología de baterías de energía de estado sólido."
Entonces, surge la pregunta: ¿cuáles son las ventajas de las baterías de estado sólido? Desde la empresa hasta el país, todos los esfuerzos se encaminan por la vía de las baterías de estado sólido.
¿Cuál es el estado actual de desarrollo? Debemos saber que la tecnología actual de baterías de litio líquido se está desarrollando a toda velocidad. ¿Cuáles son las perspectivas de futuro?
Este informe pretende explicar las preguntas anteriores que persisten en la mente de los inversores.
Desaparición del electrolito
Para aclarar estos problemas, es inevitable realizar estudios comparativos sobre diversos aspectos de las baterías de litio líquido y las baterías de litio de estado sólido.
En primer lugar, ambas son baterías de litio, el principio también es similar, la diferencia es que la composición de la batería es diferente.
La composición actual de las baterías de litio líquido incluye cuatro materiales principales: electrodo positivo, electrodo negativo, electrolito y separador. La composición de las baterías de estado sólido incluye tres materiales principales: electrodo positivo, electrodo negativo y electrolito.
La diferencia es obvia. La batería de litio de estado sólido sustituye el electrolito y el diafragma originales por un electrolito de estado sólido.
Los elementos centrales que afectan a la promoción y aplicación de las baterías de litio no son más que tres aspectos: seguridad, rendimiento y coste.
En primer lugar, empezamos por la seguridad. Las baterías de litio líquido existentes han sido criticadas durante mucho tiempo en términos de seguridad. El principio de funcionamiento de la batería de litio líquido explica claramente por qué.
Al cabo de un rato, estaba cansado de jugar y quería irse a casa, pero no tenía energía. En ese momento, hay que cargarlo. Después de cargarlo, tendrá la energía para nadar de vuelta a su casa en el electrodo negativo.
Sin embargo, para ir a casa no se puede retrasar durante demasiado tiempo, es necesario cargar rápidamente, la temperatura se eleva significativamente durante la carga rápida, lo que hace más iones de litio quieren ir a casa.
Sin embargo, no hay suficientes camas en el hogar del electrodo negativo. Los iones de litio sin hogar sólo pueden dormir fuera y precipitarse en la superficie del electrodo negativo para formar gradualmente litio dendrítico, que puede perforar el electrolito, provocar un cortocircuito y causar un accidente.
Es de suponer que los lectores no son ajenos al incidente del incendio de los vehículos de nueva energía.
Según las estadísticas, en 2020 habrá 45 llamadas a revisión de vehículos de nueva energía, que afectarán a 357.000 vehículos, lo que supone 5,3% del total de llamadas a revisión del año, de los cuales 112.000 vehículos fueron llamados a revisión por defectos en el sistema trieléctrico, lo que supone 31,3% del total de llamadas a revisión de vehículos de nueva energía .
Se puede ver que la batería de alimentación es un importante peligro oculto para la seguridad del automóvil. La promoción de las baterías de estado sólido empieza aquí.
Una diferencia obvia entre las baterías de litio en estado sólido y las de litio líquido es que no utilizan electrolito inflamable, que suele ser la principal causa de incendios en los vehículos de nueva energía.
El electrolito es el medio conductor de corriente utilizado en las etapas, pero no significa que sea óptimo. Su principio de estructura presenta problemas como la sensibilidad a la temperatura, la descomposición del producto a altas temperaturas, la fuerte corrosividad, la inflamabilidad y la facilidad de fuga.
Cuando se produce un cortocircuito, el electrolito líquido del interior de la batería de litio se inflama debido a un gran aumento de la temperatura local.
Aunque en esta fase se adopte el método de añadir una película ignífuga y resistente a las altas temperaturas, el problema de la seguridad de la batería no se ha resuelto eficazmente.
La batería de litio de estado sólido utiliza un electrolito sólido no inflamable como medio conductor.
La ventaja más destacada es la seguridad, ya que reduce la sensibilidad de la batería a la temperatura y elimina los cortocircuitos causados por los problemas de altas y bajas temperaturas provocados por las precipitaciones. Con un buen aislamiento, los electrodos positivo y negativo se bloquean eficazmente.
Al basarse en la forma y el material del electrolito, resuelve el problema de la inflamabilidad, y también plantea las dificultades de la baja conductividad y la alta resistencia.
No es difícil comprender que en el medio líquido, el movimiento de los iones de litio es más suave, y el contacto entre el material sólido y los electrodos positivo y negativo no es tan estrecho como el del material líquido, y el rendimiento de carga rápida no es bueno.
Por ejemplo, una botella está llena de agua y la otra de papel. El espacio de la primera botella es obviamente menor que el de la segunda.
Obviamente, la sustitución del electrolito no es sólo la conversión de líquido a sólido, además de la seguridad, también necesita lograr una mayor mejora de la densidad de capacidad. En este momento, hay requisitos más estrictos para el rendimiento del material, que es una consideración integral de la estabilidad, la conductividad, el coste y la tecnología.
Los electrolitos de las pilas de estado sólido que se utilizan actualmente o están próximos a su uso comercial son: polímero, sulfuro y óxido.
Los polímeros son fáciles de ser electrolizados bajo la tensión de trabajo de 4V y por encima, incluso si tienen un buen contacto con los electrodos positivo y negativo, es difícil que sea una gran responsabilidad.
El sulfuro supera el cuello de botella de la escasa conductividad del electrolito sólido, pero tiene mayor resistencia. Es fácil que se produzcan reacciones colaterales con el aire, el agua, etc., y aún quedan muchos retos por superar en el proceso.
El rendimiento del óxido se encuentra entre los dos, y se ha convertido en un material ideal en la etapa actual en virtud de su rendimiento integral.
Debido a las diferencias en la comprensión, el dominio y el desarrollo de la tecnología, la elección de la vía tecnológica es bastante controvertida.
Ganfeng Lithium, Taiwan Huineng, Qingtao Energy y otras han trazado rutas tecnológicas de baterías de óxido de estado sólido.
Las empresas japonesas y coreanas utilizan sobre todo la tecnología de electrolitos sólidos de sulfuro; las chinas, la de óxido; y las europeas y estadounidenses han diversificado sus opciones. Por ejemplo, Solid Power opta principalmente por la vía del sulfuro y Quantum Scape por la del óxido.
Romper el cuello de botella de la densidad energética
En cuanto al rendimiento, el de las baterías de litio líquido no es satisfactorio.
Con la penetración gradual de los vehículos de nueva energía, éstos han empezado a desempeñar un papel importante en los desplazamientos de larga distancia durante las vacaciones. Sin embargo, los resultados de rendimiento son muy pobres. Una noticia del largo puente de noviembre de este año ilustra bien el problema.
Según China Finance and Economics, el 1 de octubre, el propietario de un vehículo de nueva energía que regresaba de Shenzhen a Hunan pasó más de cinco horas cargando el vehículo en el área de servicio.
"Durante esas cuatro horas, ni siquiera me atreví a ir al baño porque tenía miedo de que me cortaran en la cola. En ese momento, había más de 20 coches en la cola. Olvídalo, tuve que hacer cola durante al menos tres horas para persuadir a muchos coches de detrás de mí. Volver".
Durante mucho tiempo, la duración de la batería y la carga rápida han sido los hechos hermosos y vergonzosos de las baterías de litio líquido. Cómo mejorar la duración de la batería y la capacidad de carga rápida es el quid de la cuestión para acelerar aún más la tasa de penetración.
Según la "Hoja de ruta tecnológica 2.0 para vehículos de bajo consumo y nuevas energías" de China, publicada en octubre de 2020, el objetivo de densidad energética anual de las baterías de los vehículos eléctricos puros de China en 2025 es de 400 Wh/kg, y el objetivo en 2030 es de 500 Wh/kg.
Sin embargo, la densidad energética de las baterías ternarias de litio en China se esfuerza actualmente por superar los 300 Wh/kg, mientras que el límite superior de la densidad energética de las baterías de litio y fosfato de hierro es de unos 180 Wh/kg.
Sin embargo, la densidad energética de las baterías ternarias de litio en China se esfuerza actualmente por superar los 300 Wh/kg, mientras que el límite superior de la densidad energética de las baterías de litio y fosfato de hierro es de unos 180 Wh/kg.
Desde este punto de vista, con la actual tecnología de baterías de litio, es difícil alcanzar la futura demanda energética objetivo sólo por la vía del alto contenido en níquel. Aunque se lancen baterías más eficientes como las de 9*, limitadas por los materiales, es una verdadera tarea acumular cambios cualitativos. difícil.
Entonces, ¿existe una solución mejor para aumentar la densidad energética? Tras estudiar más a fondo los factores que afectan a la densidad energética, encontramos la respuesta.
La densidad de energía teórica de las baterías de litio depende principalmente de la capacidad en gramos de los materiales del ánodo y el cátodo y de la tensión de trabajo. La investigación ha demostrado que cuanto mayor es la tensión, mayor es la densidad energética.
No es difícil comprender que cuando una batería de litio está funcionando, el voltaje de la batería caerá con la disminución de la corriente. Suponiendo que las demás condiciones no varíen, con la misma corriente, el tiempo de funcionamiento de la alta tensión es obviamente mayor que el de la baja tensión.
Una analogía: un depósito más alto puede contener más agua, y tardará más en vaciarse con el mismo grifo.
Entonces, significa que la densidad energética de las baterías de litio puede mejorarse aumentando la tensión de funcionamiento.
Sin embargo, debido a los materiales actuales de las baterías de litio líquido y a las limitaciones de seguridad, la diferencia de tensión entre los electrodos positivo y negativo suele estar dentro de los 4,2V. Por tanto, es difícil conseguirlo con los materiales actuales.
Otro indicador clave es la capacidad específica (en gramos). Como su nombre indica, su significado es cuántos mAh (miliamperios hora) contiene el material de la batería de litio por gramo.
Cuanto mayor sea la capacidad específica, mayor será la densidad energética.
En pocas palabras, significa que el mismo peso transporta más iones de litio, y cuantos más iones de litio participen en la reacción química, mayor será la energía. Sin embargo, los materiales existentes para los electrodos positivo y negativo de las baterías de litio líquido también plantean ciertas limitaciones a la demanda futura.
Además de mejorar las prestaciones de seguridad de las baterías de estado sólido, también rompe el cuello de botella que limita la densidad energética de las baterías de litio.
Desde el punto de vista de la tensión, el electrodo negativo puede aumentar eficazmente la diferencia de tensión a 5 V tras utilizar litio metálico en el futuro, lo que sin duda aumentará la resistencia.
Desde el punto de vista de la capacidad específica, la capacidad específica del litio metálico puede alcanzar los 3860mAh/g.
Esto equivale a organizar una villa de cinco estrellas para Li-ion, y el grafeno existente es de sólo 365mAh/g, lo que apenas puede mantener las condiciones de vida, y puede que no haya literas cuando vuelvan tarde. La diferencia entre ambas es evidente a simple vista.
En el futuro, los materiales con alta capacidad específica, como los materiales ricos en litio a base de manganeso, también se utilizarán en el desarrollo de electrodos positivos. Obviamente, la aplicación de materiales de alta capacidad específica es la única forma de seguir aumentando la densidad energética.
Diferencia de trayectoria tecnológica
Este vínculo suele determinar el éxito o el fracaso, y si la mejor tecnología no puede reducir eficazmente los costes, la sustitución no es más que palabrería vacía.
Según el plan de Nissan, la batería totalmente de estado sólido de 2028 puede reducir el coste del paquete de baterías a US$75 por kilovatio-hora (equivalente a aproximadamente 478 RMB), y reducirá aún más el coste hasta US$65 por kilovatio-hora (equivalente a aproximadamente 413 RMB) en el futuro.
Sin embargo, el coste actual de las baterías ternarias de litio supera los 1.000 yuanes/kWh. Dada la escasez de materias primas en el futuro, el margen de reducción de costes no es optimista.
Desde este punto de vista, si las baterías de estado sólido se desarrollan como se espera, habrá un amplio mercado alternativo. Entonces, la siguiente cuestión viene dada por la elección de una vía técnica concreta.
En esta fase, las baterías de estado sólido seguirán utilizando los electrodos positivo y negativo de las baterías de litio líquido, en lugar de electrolitos y separadores. Entonces, lo que determina la diferencia en el camino tecnológico es la diferencia en la elección del electrolito.
Como ya se ha mencionado, en la actual vía tecnológica del electrolito principal, debido a que el polímero es fácil de electrolizar bajo la tensión de trabajo de 4V y superior, y necesita superar la temperatura ambiente para funcionar con normalidad, aunque se haya producido en serie, no es una opción tecnológica de futuro.
Los óxidos se clasifican en óxidos de película fina y óxidos de película no fina.
El tipo de película fina utiliza principalmente LiPON (nitrógeno de óxido de fósforo de litio) como material electrolítico, mientras que el tipo sin película se refiere a electrolitos de óxido cristalino distintos del LiPON. Entre ellos, el óxido de litio, lantano y circonio (LLZO) es el más utilizado.
Los productos de película fina tienen un rendimiento excelente y se han utilizado en aplicaciones relativamente primarias y a pequeña escala en los campos de la microelectrónica y la electrónica de consumo.
Sin embargo, la capacidad de las baterías de película fina es pequeña, a menudo inferior al nivel mAh, que apenas basta en los campos de la microelectrónica y la electrónica de consumo. Cuando alcanza el nivel Ah de los turismos, las carencias quedan totalmente al descubierto.
La industria ha intentado aumentar la capacidad de las baterías añadiéndolas en serie y en paralelo, pero existen problemas como su elevado coste y las dificultades del proceso.
Sin embargo, los productos de óxido sin película tienen un rendimiento general excelente y actualmente son populares para su desarrollo.
Se ha convertido en una dirección de desarrollo clave para las empresas chinas, y tanto Taiwán Huineng como Jiangsu Qingtao son empresas líderes en esta vía. Ya se han comercializado algunos productos, pero también presentan el inconveniente de que la conductividad iónica es inferior a la del tipo película.
Otra vía tecnológica para concentrar el capital son las baterías de sulfuro
Los sulfuros incluyen principalmente tio-LISICON, LiGPS, LiSnPS, LiSiPS, Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-B2S3, etc., y su conductividad es cercana o incluso superior a la de los electrolitos orgánicos.
Al mismo tiempo, tiene las características de alta estabilidad térmica, buen rendimiento de seguridad y amplia ventana de estabilidad electroquímica (hasta 5V). Presenta ventajas sobresalientes en baterías de estado sólido de alta potencia y alta y baja temperatura.
Sin embargo, la mayoría de los materiales de sulfuro tienen poca estabilidad en el aire y reaccionan con el agua formando el irritante gas sulfhídrico. Puede decirse que su potencial de desarrollo es el mayor, y también el más difícil.
En el proceso de producción, el revestimiento + prensado en caliente múltiple y la adición de una capa amortiguadora son necesarios para mejorar el rendimiento de la interfaz.
Además, no dejan de aparecer nuevos materiales. Hace unos meses, el equipo de Ma Cheng, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, diseñó y sintetizó un nuevo material de electrolito sólido para baterías de litio: el cloruro de circonio y litio.
Según los informes, la llegada del cloruro de litio y circonio ha conseguido reducir el coste de las materias primas con un grosor de 50 micras a 1,38 dólares estadounidenses por metro cuadrado, mientras que el coste correspondiente del electrolito sólido de cloruro más barato antes de esto era de 23,05 dólares estadounidenses por metro cuadrado.
Se dice que el coste de la materia prima de 10 dólares estadounidenses por metro cuadrado es el límite para que los electrolitos sólidos sean competitivos. Por supuesto, el problema también existe. La escasa estabilidad es la clave que limita su desarrollo industrial. El equipo trabaja actualmente con ahínco para superar este inconveniente.
Desde la perspectiva de la dirección de desarrollo de la industria de baterías de litio de estado sólido en el futuro, la cognición de la industria no es muy diferente, básicamente de la batería de litio líquido-semi-sólido-sólido; la sustitución del separador electrolítico se completa primero, y luego se sustituyen los electrodos positivo y negativo.
Con el fin de resolver el problema del contacto de interfaz en el interior de la batería de estado totalmente sólido y, al mismo tiempo, aprovechar al máximo el proceso y los equipos de producción de baterías de iones de litio líquido existentes para reducir los costes de fabricación. La ruta técnica actual de las baterías de estado sólido es dar prioridad al desarrollo de baterías híbridas de litio sólido-líquido, reducir gradualmente el contenido de electrolito líquido y, finalmente, realizar baterías de litio totalmente de estado sólido.
Puede decirse que la ruta de proceso de las baterías de estado sólido aún está inmadura, la industrialización aún lleva tiempo y el camino hacia la reducción de costes es largo.
Pero, por otro lado, bajo la tendencia de la promoción del capital, las amplias vías tecnológicas y el enfoque en el talento, se espera acelerar la curva de aprendizaje de la producción, acortar el tiempo de conocimiento del proceso, y la llegada de la industrialización puede superar las expectativas.
Se prevé que los envíos de baterías de estado sólido crezcan rápidamente de 2020 a 2030, y que la demanda mundial alcance 1,7 GWh, 44,2 GWh y 494,9 GWh en 2020, 2025 y 2030, respectivamente. Se espera que el espacio del mercado mundial alcance los 150.000 millones de yuanes en 2030. arriba.
Fin
En un contexto de gran demanda de vehículos de nueva energía, la competencia por las baterías de potencia es especialmente feroz. Aunque las baterías de litio líquido dominan actualmente un sector, las baterías de sodio, las de aluminio, las pilas de combustible de hidrógeno y las baterías de litio de estado sólido han lanzado desafíos.
Sin embargo, al igual que un centenar de escuelas de pensamiento han propiciado la prosperidad académica, diversas vías tecnológicas han encontrado sus propias direcciones de aplicación en los campos del almacenamiento de energía, los vehículos comerciales y los turismos.
Lo que es seguro es que la competencia de múltiples vías tecnológicas es beneficiosa para el desarrollo de la industria, lo que se espera que acorte el tiempo cognitivo de la industria y promueva el desarrollo saludable de la misma.
