Quale classificazione sono i lit?
batterie al litio?
Le batterie al litio si dividono principalmente in tre categorie
in base agli scenari applicativi
, che sono anche le tre sezioni principali di questo articolo:
batterie per consumatori
,
batterie di potenza
, E
batterie di accumulo di energia
.
I. Batterie per consumatori
Utilizzato principalmente nei prodotti 3C come telefoni cellulari, laptop e tablet, ne sottolinea la portabilità, l'elevata densità energetica e le capacità di ricarica rapida.
1. Classificazione: le batterie al litio secondarie sono i prodotti principali delle attuali batterie di consumo
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Batterie primarie: batterie zinco-manganese, batterie alcaline zinco-manganese, batterie primarie al litio (biossido di litio-manganese; cloruro di litio-tionile; bisolfuro di litio-ferro).
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Batterie secondarie: batterie al piombo-acido, batterie al nichel-cromo, batterie al nichel-metallo idruro, batterie agli ioni di litio.
2. Tre tipi di confezioni di batterie per consumatori
Attualmente le batterie al litio per uso domestico utilizzano principalmente batterie ai polimeri di litio.
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Progetto
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Batteria prismatica
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Batteria cilindrica
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Batteria ai polimeri
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Custodia per batteria
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Cassa in acciaio o alluminio
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Cassa in acciaio o alluminio
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Pellicola di alluminio-plastica
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Vantaggi
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Bassa resistenza interna della batteria; processo semplice del pacco; grande capacità delle celle
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Processo di produzione maturo, elevata resa e coerenza; elevata sicurezza; ampie aree di applicazione; elevata densità energetica cellulare
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Sottile, leggero, bassa resistenza interna; elevata densità energetica del pacco; eccellenti prestazioni di sicurezza, basso rischio di esplosione; design flessibile, adattabile a qualsiasi forma.
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Svantaggi
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Scarsa coerenza, bassa standardizzazione; elevati requisiti di controllo della sicurezza
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Elevato costo del pacco; elevati requisiti per la batteria; elevati requisiti di collegamento e gestione della batteria.
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Scarsa resistenza meccanica; elevati costi di produzione.
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Aree di applicazione
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Veicoli passeggeri, veicoli commerciali, accumulo di energia
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Veicoli per passeggeri, utensili elettrici, biciclette elettriche, veicoli logistici, case intelligenti, accumulo di energia
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Prodotti digitali 3C, veicoli passeggeri, accumulo di energia
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3. Altre forme
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Batterie a bottone al litio
Le batterie a bottone si dividono in batterie a bottone rigide e batterie a bottone morbide. I poli interni delle batterie a bottone rigide adottano il processo di laminazione e sono confezionati in gusci di acciaio o alluminio; le batterie a bottone morbide adottano il processo di avvolgimento e sono confezionate in pellicola di alluminio; le batterie a bottone sono utilizzate principalmente in auricolari Bluetooth, cuffie per dormire e dispositivi indossabili.
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Batterie al litio di forma speciale
Con l'aumento delle dimensioni degli schermi degli smartphone e la ricerca di leggerezza e sottigliezza, i produttori di telefoni cellulari utilizzano batterie a doppia cella e dalla forma speciale per sfruttare al meglio lo spazio interno del dispositivo. Ad esempio, l'iPhone XS Max utilizza una struttura a doppia cella, mentre l'iPhone 11Pro/13Pro utilizza una speciale struttura a L per la batteria. L'ascesa di braccialetti e anelli intelligenti impone anche nuovi requisiti per la forma della batteria, come l'applicazione di batterie curve nei braccialetti intelligenti.
4. Applicazioni a valle delle batterie al litio per uso domestico
(1) Computer portatili
Smartphone, tablet e altri prodotti hanno avuto un impatto sulle vendite di computer portatili, ma la domanda di sostituti nuovi ed esistenti è ancora elevata. Con l'aumento dei requisiti di portabilità dei computer portatili, le batterie al litio si stanno evolvendo verso un design più leggero e sottile.
(2) Tablet computer
I tablet si posizionano tra i computer e gli smartphone. Grazie alla loro portabilità, facilità d'uso e design accattivante, il mercato è in continua crescita.
(3) Smartphone
Il mercato degli smartphone è maturo, il ciclo di sostituzione è esteso e il mercato è relativamente saturo. L'inflazione nei mercati emergenti come Asia-Pacifico, Medio Oriente, Africa e America Latina si è attenuata, stimolando in una certa misura la crescita delle spedizioni di telefoni cellulari.
(4) Telefoni cellulari AI
Intel, Qualcomm, Lenovo, Xiaomi, ecc. stanno principalmente lanciando telefoni cellulari e PC con intelligenza artificiale (AI+). L'intelligenza artificiale (AI) end-to-end potrebbe inaugurare una nuova era. Ad esempio, Samsung Galaxy S24, Meizu 21 Pro, Xiaomi 14 Ultra, OPPO FindX7, ecc., telefoni cellulari dotati di intelligenza artificiale generativa, modelli di grandi dimensioni, sono stati tutti lanciati nella prima metà del 2024.
(5) Dispositivi indossabili
Orologi intelligenti, cuffie Bluetooth, occhiali intelligenti, ecc. sono dispositivi indossabili che hanno un grande potenziale di crescita come porta d'ingresso all'Internet delle cose.
(6) Mercato degli utensili elettrici
Industria meccanica, decorazione di edifici, paesaggistica, ecc. e le applicazioni future riguarderanno case intelligenti, sistemi di accumulo di energia portatili, risposta alle emergenze e altri campi.
(7) Veicoli elettrici a due ruote
La crescita delle spedizioni ha subito un rallentamento. La Cina è il maggiore esportatore di veicoli elettrici a due ruote e le esportazioni continuano ad aumentare.
Nord America, Europa e Sud-est asiatico sono le principali destinazioni delle esportazioni cinesi di veicoli elettrici. I veicoli elettrici a due ruote cinesi sono esenti da dazi doganali quando esportati negli Stati Uniti. Nel 2023, le vendite cinesi di veicoli elettrici a due ruote negli Stati Uniti hanno raggiunto 4,564 milioni di unità, rappresentando oltre il 30% delle esportazioni totali. Molti paesi del Sud-est asiatico hanno introdotto politiche di conversione dal petrolio all'elettricità per incoraggiare i marchi stranieri a costruire fabbriche nelle loro aree locali.
(8) UAV
I droni sono ampiamente utilizzati nella fotografia aerea, nella fotografia, nell'agricoltura, nella topografia e nella mappatura, nella meteorologia, nelle comunicazioni, nella sicurezza pubblica e in altri campi.
Con oltre 15 anni di esperienza nel settore delle batterie al litio, ACEY vanta solide capacità di ricerca e sviluppo e una vasta esperienza nella produzione, che le consentono di fornire batterie ad alte prestazioni e ad alta sicurezza
soluzioni complete per l'assemblaggio di pacchi batteria
in applicazioni quali computer portatili, telefoni cellulari, veicoli elettrici a due ruote, droni, ecc.
II. Batterie di alimentazione
Utilizzati in veicoli come quelli elettrici, devono soddisfare i requisiti di elevata potenza e lunga autonomia, nonché di durata e sicurezza.
1. Classificazione
Le batterie di potenza possono essere principalmente suddivise in batterie a materiale ternario e batterie al litio-ferro-fosfato in base ai diversi materiali dell'elettrodo positivo; in base ai diversi metodi e forme di confezionamento, possono essere suddivise in batterie prismatiche, batterie ai polimeri e batterie cilindriche. I materiali ternari si riferiscono all'ossido di litio-nichel-cobalto-manganese (NCM) o all'ossido di litio-nichel-cobalto-alluminio (NCA); la principale differenza tra le strutture soft pack e quelle quadrate e cilindriche risiede nella forma del guscio e nel processo di fabbricazione.
2. Storia dello sviluppo delle batterie di potenza
Nelle prime fasi di sviluppo del settore, quando la densità energetica era un fattore chiave, i catodi ternari dominavano grazie alla loro maggiore densità energetica rispetto alle batterie al litio-ferro e alla maggiore autonomia. Allo stesso tempo, i materiali ternari mostravano anche una tendenza verso un maggiore contenuto di nichel. Il processo di confezionamento per batterie soft-pack ha rapidamente guadagnato quote di mercato grazie alla sua elevata densità energetica e all'eccellente sicurezza.
Nelle fasi intermedie dello sviluppo del settore, il litio ferro fosfato (LiFePO4) è diventato il materiale più diffuso grazie alla sua eccellente sicurezza e al basso costo. Grazie alle tecnologie CTP e senza moduli, l'efficienza di assemblaggio delle batterie è aumentata significativamente, migliorando l'autonomia delle batterie LiFePO4. Inoltre, le batterie a lama migliorano l'utilizzo dello spazio e la sicurezza, riducendo i costi delle batterie. Anche le progettazioni strutturali senza moduli (CTP e CTC) migliorano l'efficienza di assemblaggio delle batterie.
Il settore è ormai entrato in una fase matura, con percorsi tecnologici sempre più diversificati e una nuova tendenza verso la ricarica rapida ad alta tensione. Le batterie generalmente soddisfano il requisito di autonomia di 600 km, con particolare attenzione al miglioramento dell'efficienza e della sicurezza di ricarica. In questo periodo, la batteria LiFePO4 ha attirato l'attenzione grazie alla sua elevata densità energetica e all'eccellente sicurezza. Anche le batterie allo stato semisolido e i collettori di corrente compositi, tra gli altri materiali che possono migliorare le prestazioni della batteria, hanno guadagnato terreno. Allo stesso tempo, l'elettrodo negativo silicio-carbonio realizzato in nanosilicio offre buone prestazioni di ricarica rapida e un'elevata densità energetica. In termini di tecnologia di packaging, gli aggiornamenti delle tecnologie CTC e CTB aumentano lo spazio sull'asse Z dell'auto, migliorano la durata e riducono i costi.
3. Catena industriale
(1) Materiali catodici
Il fosfato di ferro ternario e di litio sono i due principali
materiali catodici
per batterie di potenza. Il ternario può essere suddiviso in NCM nichel-cobalto-manganese e NCA nichel-cobalto-alluminio.
Grazie all'elevata prosperità del mercato a valle e al fatto che il litio ferro fosfato supera le batterie ternarie in termini di densità energetica e prestazioni di ricarica rapida, i suoi vantaggi in termini di sicurezza e costi sono notevoli, rendendolo il materiale principale per gli elettrodi positivi.
Uno dei modi per migliorare le prestazioni dei materiali per elettrodi positivi al litio ferro fosfato è aumentare la densità di compattazione, che si riferisce alla massa di materiale attivo contenuta in un elettrodo unitario in specifiche condizioni di pressione, che influisce direttamente sulla capacità specifica dell'elettrodo, sull'efficienza di carica e scarica, sulla resistenza interna e sulle prestazioni del ciclo della batteria. Le batterie a carica rapida devono ridurre lo spessore dell'elettrodo per ridurre la resistenza interna e aumentare la velocità, mentre l'aumento della densità di compattazione può mantenere o addirittura aumentare la densità energetica con uno spessore dell'elettrodo più sottile.
Si prevede che il volume di spedizione degli elettrodi positivi ternari raggiungerà le 750.000 tonnellate nel 2024.
Il mercato dei materiali per elettrodi ternari positivi è frammentato e la concorrenza tra i produttori è agguerrita. Nel 2023, il CR3 rappresentava solo il 41%. La capacità produttiva di elettrodi ternari positivi si sta gradualmente esaurendo e la concentrazione del settore sta ulteriormente migliorando.
(2)
Materiali anodici
I materiali anodici si dividono in due categorie: materiali al carbonio e materiali non al carbonio. I materiali al carbonio includono materiali in grafite, come la grafite naturale e quella artificiale. La struttura a strati degli elettrodi negativi in grafite favorisce l'inserimento e il disinserimento degli ioni di litio. I materiali non al carbonio includono materiali a base di silicio, titanato di litio, materiali a base di stagno, nitruri, ecc. I materiali a base di silicio sono considerati la direzione tecnologica di prossima generazione grazie alla loro elevata capacità specifica teorica (4200 mAh/g), molto superiore alla capacità effettiva della grafite di 360 mAh/g. Allo stesso tempo, i materiali a base di silicio sono ricchi di risorse naturali, economici e rispettosi dell'ambiente.
(3)
Elettrolita della batteria
L'elettrolita è composto da sale di litio, solvente e additivi. In base al rapporto di massa, il sale di litio rappresenta circa il 10-15% dell'elettrolita, il solvente organico l'80% e gli additivi il 5-10%. Il soluto più diffuso è l'esafluorofosfato di litio (LiPF6). Diversi rapporti di additivi hanno un impatto significativo sulle prestazioni dell'elettrolita, come additivi filmogeni, additivi di protezione da sovraccarico, additivi per alte/basse temperature, additivi ritardanti di fiamma e additivi di tipo rateo.
(4)
Separatore
Il separatore è un componente cruciale delle batterie al litio e un materiale chiave con le maggiori barriere tecniche nella filiera industriale. Le sue funzioni principali sono isolare gli elettrodi positivo e negativo l'uno dall'altro per prevenire cortocircuiti e fornire un percorso per la migrazione degli ioni di litio durante la carica e la scarica. Il separatore ha un impatto significativo sulla resistenza, la capacità e la durata della batteria, determinandone in ultima analisi la sicurezza.
I separatori più diffusi sono i separatori di poliolefine, che comprendono principalmente polipropilene, polietilene e compositi polipropilene-polietilene.
I separatori con rivestimento a umido rappresenteranno il futuro dello sviluppo dei separatori. I separatori con rivestimento a umido sono più costosi di quelli con rivestimento a secco, ma offrono una porosità e una permeabilità all'aria migliorate, consentendo di realizzare separatori più sottili e leggeri. La tecnologia di rivestimento può migliorare la resistenza alla perforazione e la sicurezza dei separatori con rivestimento a umido. I materiali di rivestimento sono diversi, tra cui ceramica, PVDF e aramide.
4. Direzione futura dello sviluppo tecnologico
(1) Batteria allo stato solido
Si riferisce all'uso di elettroliti solidi per sostituire l'elettrolita e il diaframma delle tradizionali batterie al litio, al fine di ottenere la trasmissione degli ioni e l'accumulo di carica. In base alla percentuale in massa dell'elettrolita, le batterie allo stato solido si dividono in: batterie semisolide (contenuto di elettrolita pari al 5%-10%), batterie quasi allo stato solido (0%-5%), batterie allo stato solido (0% di elettrolita). In altre parole, gli elettrodi positivi e negativi e gli elettroliti delle batterie allo stato solido sono tutti materiali solidi.
Gli elettroliti allo stato solido sono la chiave tecnica per le batterie allo stato solido. L'elettrolita allo stato solido ideale dovrebbe avere una conduttività elettronica trascurabile, un'eccellente conduttività agli ioni di litio, una buona compatibilità chimica, stabilità e caratteristiche di produzione su larga scala a basso costo. Gli elettroliti attuali includono: solfuri, ossidi, alogenuri metallici e polimeri.
I materiali degli elettrodi negativi delle batterie allo stato solido comprendono principalmente tre categorie: elettrodo negativo in metallo-litio, elettrodo negativo in gruppo carbonio ed elettrodo negativo in ossido.
Le tradizionali batterie al litio liquido utilizzano principalmente materiali del gruppo del carbonio (come la grafite) come elettrodi negativi, ma sono limitate dalla capacità specifica del carbonio e lo spazio per lo sviluppo futuro è limitato. I materiali per elettrodi negativi a base di silicio hanno un'elevata capacità specifica teorica e rappresentano una direzione importante per l'iterazione dei sistemi di materiali per elettrodi negativi. Tuttavia, i materiali a base di silicio subiscono una forte espansione di volume durante la carica e la scarica, con un conseguente deterioramento delle prestazioni del ciclo. Questo può essere migliorato attraverso il rivestimento in carbonio, la nanomaterializzazione e altri accorgimenti tecnici. Gli elettrodi negativi in litio metallico sono considerati l'obiettivo finale a causa della loro capacità specifica teorica estremamente elevata, ma presentano difficoltà nella crescita dei dendriti di litio e nella stabilità chimica.
I materiali degli elettrodi positivi delle batterie allo stato solido sono concentrati principalmente negli elettrodi positivi ternari ad alto contenuto di nichel, nell'ossido di litio nichel manganese e nei percorsi a base di manganese ricco di litio.
(2) Riciclo delle batterie di alimentazione
Attualmente, i metodi di riciclaggio delle batterie si dividono principalmente in utilizzo a cascata e riciclaggio tramite smontaggio.
L'utilizzo a cascata si riferisce al trattamento di batterie dismesse con elevata capacità residua che soddisfano i requisiti di utilizzo per usi secondari, come l'accumulo di energia, i veicoli a bassa velocità, le sottostazioni delle stazioni base, ecc. In generale, le batterie al litio-ferro-fosfato hanno una buona durata del ciclo e una buona stabilità termica, il che le rende più adatte. Il riciclaggio tramite smontaggio si riferisce all'utilizzo di batterie rottamate attraverso tecnologie di processo per recuperare metalli come nichel, cobalto, manganese, rame, alluminio e litio nella batteria, e quindi riciclare questi materiali. Le batterie ternarie hanno un alto contenuto di metalli rari, un alto valore di riciclaggio, una bassa durata del ciclo e una scarsa stabilità termica, il che le rende più adatte.
Quando la capacità della batteria scende al di sotto dell'80%, può essere solo riciclata. La batteria riciclata deve essere sottoposta a processi di pre-scarica, smontaggio, separazione e altri pre-processi. Attualmente esistono tre metodi di riciclaggio: pirolisi, riciclaggio a umido e riciclaggio biologico. Il riciclaggio a umido si riferisce all'uso di una soluzione specifica per lisciviare il materiale dell'elettrodo positivo in modo che il metallo prezioso venga disciolto nel solvente sotto forma di ioni, e quindi gli ioni metallici vengono separati e purificati mediante precipitazione chimica, estrazione con solvente e altri metodi. Il riciclaggio a umido è ancora necessario per la separazione e l'estrazione degli elementi metallici nella fase successiva della pirolisi. Il riciclaggio biologico ha la caratteristica di un lungo ciclo di coltivazione.
(3) Collettore di corrente composito
Il tradizionale
collettore di corrente della batteria
è un foglio di rame puro o un foglio di alluminio. Il collettore di corrente composito si riferisce a un nuovo materiale realizzato mediante placcatura uniforme di rame sulla superficie del substrato mediante sputtering magnetronico e altri metodi sulla superficie di pellicole plastiche PET, PP e altri materiali. Quando la batteria va in cortocircuito, lo strato di materiale polimerico al centro del collettore di corrente composito si fonde e produce un cortocircuito, che può sopprimere la corrente di cortocircuito, controllare la fuga termica della batteria e risolvere radicalmente il problema dell'esplosione e dell'incendio delle celle della batteria. Inoltre, il foglio di rame composito ha un costo e un peso inferiori rispetto al foglio di rame tradizionale, aumentando la densità energetica della batteria di oltre il 5%.
III. Batterie di accumulo di energia
Utilizzate in scenari quali il peak shaving della rete, l'accumulo di energia domestica e l'accumulo di energia commerciale e industriale, queste batterie richiedono tempi di carica e scarica lunghi (oltre 2 ore), danno priorità alla durata del ciclo e al rapporto costo-efficacia e hanno requisiti di densità energetica inferiori.
I dati indicano che le spedizioni di batterie al litio per l'accumulo di energia supereranno i 320 GWh nel 2024, con un tasso di crescita superiore al 50%. In termini di struttura delle spedizioni, le celle di accumulo di energia rimarranno la fonte primaria di spedizioni, rappresentando oltre l'80%. Di queste, le spedizioni di batterie per l'accumulo di energia hanno raggiunto circa 280 GWh, con un tasso di crescita superiore al 65%; le spedizioni di batterie per l'accumulo domestico hanno raggiunto circa 26 GWh, con un tasso di crescita superiore al 30%; e le spedizioni di batterie per l'accumulo di energia commerciale e industriale hanno raggiunto circa 10 GWh, con un tasso di crescita superiore al 40%. Le batterie al litio-ferro-fosfato rappresentano oltre il 90% delle celle spedite e rappresentano la tecnologia più diffusa.
Si prevede che le spedizioni globali di batterie al litio per l'accumulo di energia aumenteranno del 55% su base annua nel 2024, con le aziende cinesi che contribuiscono per oltre il 90% alla capacità produttiva globale. Sulla base delle spedizioni di batterie per l'accumulo di energia per uso domestico, le batterie da 50-100 Ah sono le più diffuse sul mercato, con l'80% che richiede una durata di 6.000 cicli, mentre i prodotti di fascia alta raggiungono i 10.000 cicli.
Attualmente, i principali produttori di celle da 280 Ah stanno passando a celle da 314 Ah. Secondo i dati GGII, il tasso di transizione della capacità ha raggiunto il 52%. Poiché l'involucro, la struttura e le dimensioni delle due batterie rimangono invariati, le aziende leader possono continuare a utilizzare linee di produzione da 280 Ah, con modifiche principalmente nei processi e nei materiali.
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