Desde la batería 4680, el material del ánodo de litio ha cambiado de grafito a silicio.
En el "Día de la Batería Tesla" celebrado en septiembre de 2020, Tesla lanzó subversivamente la "batería 4680".
Este tipo de batería no sólo es significativamente más grande que las 18650 y 21700, sino que también tiene una mayor densidad de energía. La energía de una sola célula se ha multiplicado por 5, y la potencia de salida se ha multiplicado por 6. Se espera que reduzca el precio de las baterías de potencia en más de 56%.
Los escenarios de aplicación de los vehículos eléctricos son relativamente especiales, y la capacidad de espacio es extremadamente limitada. Para garantizar una autonomía de crucero suficiente, se imponen ciertos requisitos a la densidad energética de las baterías eléctricas, lo que también es la clave que limita el desarrollo de la industria. La principal razón por la que la eficiencia de la batería Tesla 4680 ha mejorado notablemente radica en tres aspectos: el modo de oído sin electrodos, el proceso de electrodo seco y la aplicación de un electrodo negativo a base de silicio.
El modo de oído sin electrodos complementa el proceso de electrodos secos, y su propósito central es reducir la resistencia interna de la vía conductora, de los 20mΩ anteriores a 2mΩ.
Por otra parte, se espera que la aplicación de ánodos basados en el silicio supere el límite teórico de capacidad de los ánodos tradicionales y logre un gran avance en la densidad energética de las baterías de potencia.
Durante mucho tiempo, los polos negativos de las baterías de potencia han estado en calma, y la ventaja de la rentabilidad ha hecho del grafito artificial una vía técnica reconocida en la industria. A falta de nuevas fuerzas motrices, cada empresa de polos negativos ha centrado el desarrollo en reducir costes y aumentar la eficiencia.
Pero esta calma puede romperse con la batería 4680. Cuando la batería 4680 salga oficialmente al mercado, la permeabilidad del electrodo negativo a base de silicio seguirá aumentando. ¿Será la descarga de las baterías 4680 el comienzo de la próxima iteración industrial de los electrodos negativos de las baterías de litio? ¿Cuál es la razón que impide que la sustitución del grafito artificial por ánodos basados en silicio se convierta en la corriente principal de la industria?
Historial de iteraciones negativas
El concepto de las baterías de litio se propuso por primera vez a principios del siglo XX, pero no fue hasta 1991 cuando la japonesa Sony realizó oficialmente su producción comercial.
El primer lote de baterías de litio utilizaba coque de petróleo como electrodo negativo, que se eliminó rápidamente por su baja capacidad específica y se sustituyó por un material llamado microesferas de mesocarbono (MCMB).
Aunque el MCMB ha mejorado significativamente en comparación con los materiales de electrodo negativo de primera generación, sigue existiendo el problema de la baja capacidad específica. Además, es necesario consumir una gran cantidad de disolvente orgánico en el proceso de preparación, por lo que el coste es siempre elevado, casi el mismo que el del material de electrodo negativo actual. varias veces superior.
Las baterías de litio nacieron en Japón, y las empresas japonesas siempre tuvieron la palabra en la fase inicial de la industria. Antes de 2000, casi todos los materiales de ánodo de las empresas chinas de baterías de litio se importaban de Japón.
Shanshan Co., Ltd. fue la primera en realizar la sustitución nacional de MCMB. En aquel momento, Shanshan Co., Ltd., con la ayuda de la fuerza técnica del Instituto de Investigación de Energía Térmica de Anshan, estableció la primera línea de producción de MCMB de China, que redujo con éxito el precio de los materiales de ánodo de MCMB.
Casi al mismo tiempo que Shanshan Co., Ltd. producía en masa MCMB, el profesor Wang Chengyang de la Universidad de Tianjin también desarrolló la tecnología relacionada de MCMB, y luego autorizó esta tecnología a Tianjin Tiezhong Coal Chemical Company. En 2008, Tianjin Tiecheng fue adquirida por Bertray
Cuando China realiza la sustitución nacional de MCMB, la demanda del mercado de baterías de litio ha cambiado realmente. Los teléfonos móviles y los ordenadores portátiles se han convertido en los principales escenarios de aterrizaje de las baterías de litio, lo que plantea ciertos requisitos para la densidad de capacidad de las baterías de litio.
Con la continua mejora del índice de penetración de las baterías de litio en el campo digital 3C, los materiales de grafeno con mayor capacidad específica han empezado a sustituir gradualmente al MCMB. El primero en sustituir al MCMB es el material de grafito natural, que fue completado por primera vez por Berterry. Casi al mismo tiempo que el grafito natural, existe el grafito artificial. Aunque el grafito artificial es ligeramente más caro, no es fácil de expandir, tiene una buena ciclabilidad y una buena tasa de carga-descarga, lo que resulta adecuado para más escenarios de aplicación.
En general, el electrodo negativo de las baterías de litio sigue la ruta de iteración industrial del coque de petróleo, el MCMB, el grafito natural y el grafito artificial. La capacidad específica y la velocidad de expansión son los parámetros de rendimiento de mayor interés.
En 2011, el grafito natural se ha convertido en el material con mayor cuota de mercado, con una cuota de mercado de 59%; el grafito artificial ocupa el segundo lugar con una cuota de mercado de 30%, y la cuota de mercado de MCMB es de solo 8%.
En aquella época, el grafito se encontraba en la fase inicial de sustitución del MCMB, y el mercado seguía considerando el coste como la consideración primordial. Las propiedades físicas y químicas del grafito natural y el grafito artificial no son tan diferentes, por lo que el mercado está más dispuesto a aceptar el grafito natural con un coste más elevado.
Sin embargo, en 2015, la proporción de ánodos de grafito natural cayó a 55%, y se desplomó a 16% en 2020; la cuota de mercado de los ánodos de grafito artificial aumentó de 30% a 84%.
¿Por qué el electrodo negativo de grafito artificial ha alcanzado la tendencia de laminación del grafito natural en los últimos años? La razón radica en la rápida irrupción de la vía de los vehículos de nueva energía.
El electrodo negativo de grafito artificial tiene las ventajas de un ciclo de vida largo y una carga y descarga rápidas, lo que ha llevado a la elección unánime de los fabricantes de baterías de potencia de elegir el grafito artificial, ligeramente más caro, como la vía principal.
A lo largo del desarrollo de los materiales para ánodos de baterías de litio, qué ánodo de batería de litio se convierte en la corriente principal del mercado depende principalmente del escenario de aplicación en ese momento. Una vez satisfechas las prestaciones básicas, la competitividad básica de los fabricantes de electrodos negativos ya no depende de la investigación y el desarrollo, sino de cómo reducir los costes y aumentar la eficiencia, lo que también conduce a una tendencia general convergente de los beneficios de las empresas de todo el sector.
Tesla abre la vía negativa
Lo que determina la elección de los materiales de los ánodos es la demanda del mercado, y se espera que la solución de batería 4680 de Tesla rompa el consenso del mercado a largo plazo sobre los materiales de los ánodos.
¿Cuál es el mayor cambio que aporta la batería 4680? Es decir, en comparación con la batería 21700, la capacidad aumenta casi 5 veces, la potencia 6 veces y la autonomía de crucero 16%.
Durante mucho tiempo, los vehículos eléctricos se han visto atrapados en la corta autonomía de crucero provocada por la baja densidad de las baterías de potencia.
Anteriormente, la industria se centraba principalmente en la selección de materiales de electrodos positivos para mejorar la densidad energética de las baterías de potencia, pero hoy en día sigue existiendo una batalla entre las baterías ternarias y las de litio hierro fosfato. Obviamente, no hay una conclusión coherente en la industria de los electrodos positivos. .
La importancia de la batería 4680 de Tesla es que rompe con el pensamiento tradicional de los fabricantes de baterías centrado en los electrodos positivos y positivos, y en su lugar utiliza la estructura de la batería y los electrodos negativos para mejorar y maximizar la densidad de energía y la eficiencia de las baterías de potencia.
En el caso de los ánodos de grafito, la capacidad actual de los productos de gama alta ha alcanzado los 360-365mAh/g, llegando casi al techo de la capacidad teórica de 372mAh/g. Cuando la densidad energética de las baterías de potencia ya no puede satisfacer perfectamente las necesidades de los vehículos eléctricos, es necesario buscar materiales anódicos de mayor capacidad gramo se han convertido en la tendencia general.
Considerando todos los materiales del ánodo, sólo los basados en el silicio pueden mejorar significativamente la capacidad en gramos del ánodo, y es muy probable que se convierta en el producto del ánodo de la próxima generación. Pero al mismo tiempo, el ánodo basado en el silicio también tiene defectos fatales, que limitan la rápida popularización de esta tecnología.
En primer lugar, el ánodo de silicio tiene una gran relación de dilatación y es propenso a la deformación. En segundo lugar, el rendimiento del ciclo es significativamente inferior al del ánodo de grafito, y la conductividad no es muy buena. Junto con su elevado precio, es difícil que esta tecnología obtenga el favor de los fabricantes.
Debido a estos defectos, es difícil que los materiales a base de silicio se apliquen rápidamente a materiales anódicos en un corto periodo de tiempo. La solución actual en la industria es el método de materiales a base de silicio compuestos con grafito, que ha sido capaz de lograr una solución de batería con una capacidad específica superior a 400mAh/g.
El triple cambio provocado por la batería 4680
Se espera que la solución para baterías 4680 de Tesla suponga un cambio radical en el electrodo negativo de las baterías de litio.
Toda la industria de los electrodos negativos ha pasado del grafito a los materiales compuestos a base de silicio, lo que supondrá el primer gran cambio introducido por las baterías 4680 en los electrodos negativos de las baterías de litio.
Antes de la batería 4680, algunos fabricantes han añadido materiales a base de silicio al esquema del electrodo negativo en pequeñas cantidades. Por ejemplo, los materiales a base de silicio 5% se añaden al electrodo negativo de la batería 21700 del Tesla Model 3. Los datos muestran que en 2020, el envío nacional de materiales a base de silicio es de sólo 9.000 toneladas, y la tasa de penetración de la industria es sólo alrededor de 2,5%.
Sin embargo, se espera que la aparición de la batería 4680 impulse la demanda del mercado de ánodos basados en silicio, y que se duplique la tasa de penetración de todo el material basado en silicio en el ánodo.
Tras el aumento de la permeabilidad de los materiales basados en el silicio, el agente conductor del núcleo, los nanotubos de carbono, puede convertirse en otro material beneficioso, que es el segundo cambio provocado por la batería 4680.
Debido a la escasa conductividad de los materiales a base de silicio, lo primero que hay que resolver después del volumen total es el problema de la conductividad. La industria suele adoptar el método de añadir agente conductor para resolverlo.
En la actualidad, el agente conductor tradicional de "negro de carbón + grafito conductor" se utiliza ampliamente en la industria, pero el agente conductor tradicional se añade en gran cantidad y depende principalmente de las importaciones. En los últimos años, los nanotubos de carbono son un nuevo tipo de agente conductor que está en auge, con una pequeña cantidad de adición y ventajas evidentes.
Los nanotubos de carbono son cristales tubulares de grafito a nanoescala con buena conductividad eléctrica. Los nanotubos de carbono se añaden a menudo a los materiales catódicos como agentes conductores para mejorar la conductividad de los polos de las baterías de litio, lo que puede mejorar la tasa de rendimiento y la vida útil de las baterías de litio.
En 2014, los nanotubos de carbono solo eran un agente conductor poco popular, con una proporción de 13,6%. Con el lanzamiento de las baterías de energía en China, la tasa de penetración de los nanotubos de carbono ha seguido aumentando, y la cuota de mercado ha aumentado en 2018. a 31,8%. Continuando con la tendencia actual, para 2025, se espera que la cuota de mercado de los nanotubos de carbono supere los 60%.
China ya dispone de una capacidad de producción independiente de nanotubos de carbono. En la actualidad, las empresas nacionales dedicadas a los nanotubos de carbono son Tiannai Technology, Cabot, Qingdao Haoxin, Jiyue Nano, Defang Nano, Wuxi Dongheng, etc.
Entre ellos, Tiannai Technology es el líder absoluto de la industria. En términos de envíos, la cuota de mercado de Tiannai Technology en 2020 asciende a 32,3%, mientras que el segundo y tercer puesto son 23,8% y 19,6%, una clara diferencia.
El tercer cambio que se avecina es que la batería 4680 puede cambiar fundamentalmente el patrón actual de la industria del electrodo negativo.
En 2020, el mercado chino de materiales anódicos estará dividido por cuatro grandes empresas líderes: Beterui, Putailai (Jiangxi Zichen), Shanshan y Kaijin Energy ocuparán 22%, 18%, 17% y 14% del mercado, respectivamente. En términos de cuota de mercado, CR4 tiene una cuota de mercado total de 71%.
En la actualidad, la cuota de mercado de electrodos negativos de diversas empresas se ve afectada principalmente por la capacidad de producción de electrodos negativos de grafito. Con la irrupción de los materiales a base de silicio en el futuro, la cuota de mercado de todo el electrodo negativo puede cambiar drásticamente, y las empresas que tengan una disposición temprana en materiales a base de silicio se adelantarán. cuota de mercado.
Si nos centramos en la industria mundial de ánodos de silicio, la japonesa Shin-Etsu es la más avanzada tecnológicamente, mientras que en el mercado chino, Bettray es la pionera del sector, y Putailai y Shanshan se están poniendo al día.
Ya en septiembre de 2020, los ánodos a base de silicio de Bertray se han puesto oficialmente en producción. El mercado espera que los envíos de este año ronden las 3.000 toneladas, y la velocidad de desarrollo va por delante de otras empresas. Lo más probable es que se convierta en el mayor beneficiario de ánodos basados en silicio.
Putailai es actualmente la segunda empresa del mercado de electrodos negativos. En cuanto a la disposición de materiales a base de silicio, Putailai ha cooperado con el Instituto de Física de la Academia China de Ciencias y ha completado la segunda generación de productos, además de participar en las pruebas y la certificación de los usuarios intermedios. Se espera iniciar la producción en serie en los próximos años.
Shanshan Co., Ltd. se centra principalmente en los ánodos de óxido de silicio, y ha conseguido aplicaciones por lotes en los mercados de consumo y de pequeña potencia. La batería eléctrica aún está en fase de pruebas y certificación, y también se encuentra en la fase inicial de producción en serie.
Además, Kaijin Energy, Zhongke Electric y otras empresas también están desplegando activamente ánodos basados en silicio, con la esperanza de aprovechar la próxima iteración de la industria de ánodos.
En general, la transición de los ánodos de las baterías de litio de los materiales de grafito a los materiales basados en silicio se ha convertido en una dirección técnica reconocida en la industria, y el lanzamiento oficial de las baterías 4680 puede estimular la demanda global de materiales basados en silicio, que no sólo remodelará todo el patrón de la industria de ánodos de baterías de litio, sino que también impulsará el desarrollo de la industria de agentes conductores relacionados.
La solución de la batería 4680 no es exclusiva de Tesla. Fabricantes de baterías como BAK Battery y Yiwei Lithium Energy también han empezado a desarrollar su propia "solución 4680". Esto significa que es muy probable que la descarga de las baterías 4680 se convierta en un evento de alta probabilidad, y también se espera que sea el comienzo de la próxima iteración del electrodo negativo de las baterías de litio.
