Una guida completa alle batterie al litio-ione: applicazioni per alimentazione, consumo ed accumulo di energia

Le batterie al litio-ione possono essere suddivise in batterie al litio per uso consumer (3C), batterie al litio per uso automobilistico e batterie al litio di grandi dimensioni per immagazzinamento di energia, in base alle loro applicazioni a valle.

I. Batteria di potenza

Le batterie di potenza sono batterie che forniscono energia ai dispositivi elettrici e rappresentano attualmente un'area applicativa in rapida crescita per le batterie al litio-ione. Sono ampiamente utilizzate nei veicoli a energia rinnovabile, negli utensili elettrici, nei cicli elettrici e altro ancora. Le batterie di potenza sono anche un tipo di batteria per l'accumulo di energia, principalmente impiegata nei veicoli elettrici. A causa dei limiti dimensionali e del peso delle automobili, nonché delle esigenze relative all'accelerazione, le batterie di potenza presentano requisiti prestazionali più elevati rispetto alle comuni batterie per l'accumulo di energia. Tali requisiti includono una maggiore densità energetica, velocità di ricarica più elevate e correnti di scarica maggiori, mentre le comuni batterie per l'accumulo di energia non hanno requisiti così stringenti.

1. il numero di Caratteristiche del prodotto:

Per le batterie al litio di tipo power, sono necessarie ulteriori considerazioni riguardo alla velocità di ricarica, all'autonomia, all'affidabilità e alla coerenza, date le esigenze a lungo termine (almeno 5-10 anni). Densità energetica: il pacco batteria rappresenta circa il 25% del peso di un'auto, e le variazioni di peso della batteria influiscono direttamente sul consumo energetico del veicolo. A parità di carica, un pacco batteria con maggiore densità energetica consente un'autonomia maggiore. Velocità di ricarica: anche la velocità di ricarica è un indicatore fondamentale per le attuali batterie di trazione. I principali produttori di batterie stanno attualmente progettando tassi di ricarica compresi tra 4C e 6C, o anche superiori, per ridurre i tempi di attesa degli utenti. Sicurezza e coerenza: i pacchi batteria per veicoli elettrici utilizzano un elevato numero di celle collegate in serie e in parallelo. Idealmente, la probabilità di un malfunzionamento della batteria di trazione (sicurezza, conservazione, ciclo di vita, ecc.) dovrebbe essere inferiore a uno su cento milioni. Se questa probabilità rimane costantemente bassa, la batteria è soggetta a sovraccarica e scarica eccessiva durante l'uso, con possibili conseguenze per la sicurezza.

2. Tipo di elettrodo positivo:

Attualmente, i principali tipi di batterie per trazione disponibili sul mercato includono batterie al litio ternarie, batterie LiFePO4 e batterie LiMn2O4. Per quanto riguarda la compatibilità complessiva delle batterie per trazione, le batterie al litio ternarie e quelle LiFePO4 dominano il mercato. Naturalmente, un altro materiale catodico degno di nota nel settore delle batterie per trazione è l'NCA (nickel-cobalto-alluminio) (8:1.5:0.5), che si distingue per un'elevata densità energetica della singola cella, ma presenta anche un ostacolo all'ingresso molto elevato.

II. Batterie per uso domestico

Le batterie per consumatori rappresentano un'altra importante area applicativa delle batterie agli ioni di litio. Le batterie al litio per uso consumer sono principalmente utilizzate in prodotti elettronici di consumo come telefoni cellulari, laptop, fotocamere digitali, videocamere digitali, power bank e giocattoli elettrici, i cosiddetti "prodotti 3C", per celle e moduli di batterie al litio. Sono principalmente classificate in batterie cilindriche, prismatiche e pouch. Le batterie al litio cilindriche hanno un diametro maggiore, il che limita lo spessore dei prodotti elettronici per l'utente finale; le batterie al litio prismatiche hanno un design estetico relativamente fisso e sono difficili da rendere sottili. Pertanto, nessuno di questi due tipi di batterie al litio riesce a soddisfare i requisiti di alcuni prodotti elettronici di consumo riguardo a batterie sottili, leggere e di dimensioni variabili. Le batterie al litio polimeriche pouch utilizzano una pellicola in alluminio-plastica come involucro, risultando leggere, sicure e offrendo opzioni di progettazione più flessibili e una densità energetica superiore, risultando così più adatte ai requisiti dei prodotti elettronici di consumo per batterie sottili, leggere, di dimensioni variabili e sicure. Per questo motivo, le batterie al litio polimeriche pouch sono attualmente il tipo più comunemente utilizzato di batteria al litio per uso consumer. Il settore delle batterie per consumatori si è ormai consolidato e la domanda complessiva è relativamente stabile.

1. il numero di Caratteristiche del prodotto:

Le batterie al litio-ion per uso consumer hanno condizioni d'uso relativamente meno rigorose e non richiedono un'affidabilità a lungo termine. Solitamente vengono utilizzate singolarmente e non devono essere abbinate ad altre batterie, pertanto i requisiti di uniformità non sono molto elevati. Tuttavia, a causa dello spazio limitato e del valore dei prodotti consumer come smartphone e tablet, le batterie al litio-ion per uso consumer hanno requisiti rigorosi riguardo alle dimensioni, alla capacità e alla densità energetica. Le batterie consumer di fascia alta utilizzano le tecnologie e i materiali più avanzati, mentre le batterie per applicazioni di trazione richiedono un controllo di processo, un controllo dell'uniformità e una gestione della qualità più sofisticati. I requisiti sul ciclo di vita per i prodotti consumer non sono così lunghi come quelli delle batterie per trazione o per immagazzinamento di energia. Ad esempio, dopo 2-3 anni di utilizzo, notiamo che la capacità della batteria di uno smartphone si è ridotta all'80%, principalmente perché la maggior parte degli smartphone viene ricaricata una o due volte al giorno. Ciò comporta che la capacità dello smartphone scenda sotto l'80% in meno di 3 anni, momento in cui sarà necessario sostituire la batteria o lo smartphone stesso.

2. Tipo di elettrodo positivo:

L'ossido di litio e cobalto (LCO) continua a dominare il mercato delle batterie per dispositivi consumer. Sebbene il NCM ternario (ossido di nichel, cobalto e manganese, non contenente litio-cobalto) offra un'elevata capacità specifica, non riesce facilmente a sostituire il LCO a causa della produzione di gas a tensioni elevate. Sebbene i materiali catodici LCO presentino svantaggi come alto costo (dovuto al costoso cobalto), scarsa durata ciclica e ridotta sicurezza, la loro elevata densità di compattazione e alta tensione operativa conferiscono ancora un vantaggio nei prodotti elettronici ultra-sottili. La domanda rimane stabile nei segmenti smartphone, laptop e tablet di fascia media e alta. Inoltre, l'aumento della capacità delle batterie nei telefoni 5G e l'emergere di nuovi dispositivi elettronici di consumo come droni, auricolari TWS e sigarette elettroniche stanno tutti alimentando la domanda di materiali catodici LCO. Il LCO presenta la più alta densità di compattazione, risultando nella maggiore densità energetica volumetrica all'interno del volume limitato dei dispositivi elettronici consumer. Eccellente densità di compattazione, densità energetica volumetrica, prestazioni cicliche e comportamento alle temperature elevate/basse, uniti alla possibilità di aumentare ulteriormente la densità energetica del LCO innalzando il potenziale di cutoff della carica, rendono i materiali LCO ad alta tensione e alta compattazione la direzione futura del settore.

III. Batterie per l'accumulo di energia

Le batterie per l'accumulo di energia si riferiscono a batterie che immagazzinano energia elettrica, convertendola in energia chimica. Attualmente, il mercato delle batterie per l'accumulo di energia presenta due principali aree applicative: l'accumulo energetico per uso industriale e quello residenziale. Le batterie per l'accumulo industriale sono essenzialmente una tecnologia per l'immagazzinamento di energia elettrica. Gli scenari applicativi includono l'accumulo idroelettrico a pompaggio, l'accumulo mediante batterie, l'accumulo meccanico e l'accumulo ad aria compressa, applicabili in diversi settori industriali. Le batterie per l'accumulo energetico residenziale sono generalmente destinate all'uso esterno; ad esempio, durante interruzioni di corrente in casa o quando si va in campeggio, è necessaria una batteria di accumulo ad alta capacità e lunga durata per far fronte a situazioni impreviste.

1. il numero di Caratteristiche del prodotto:

Le batterie al litio per l'accumulo di energia hanno requisiti più elevati in termini di durata. La vita utile dei veicoli a nuova energia è generalmente compresa tra 5 e 8 anni, mentre i progetti di accumulo di energia mirano tipicamente a una durata superiore ai 10 anni. La vita ciclica delle batterie al litio per applicazioni automobilistiche è di 1000-2000 cicli, mentre le batterie al litio per l'accumulo di energia richiedono generalmente una vita ciclica superiore a 5000 cicli. Questo perché le batterie per l'accumulo non danno priorità alla densità volumetrica e gravimetrica di energia, ma enfatizzano piuttosto sicurezza e costo. Dal punto di vista delle proprietà intrinseche dei materiali, il litio ferro fosfato presenta una migliore stabilità termica e un costo del materiale inferiore rispetto alle batterie al litio ternarie, e la sua vita ciclica ha già raggiunto quasi 10.000 cicli; pertanto, la sua applicazione nel mercato globale dell'accumulo di energia sta diventando sempre più diffusa.

2. Tipo di elettrodo positivo:

Esistono alcune differenze tra le batterie al litio per applicazioni di potenza e quelle per lo stoccaggio dell'energia, ma dal punto di vista della cella stessa, entrambe possono apparentemente utilizzare batterie al fosfato di ferro e litio (LFP) o batterie al litio ternarie. Tuttavia, nelle applicazioni di accumulo, vengono quasi esclusivamente impiegate batterie LFP. Ciò è principalmente dovuto agli incidenti legati alla sicurezza che si verificano frequentemente negli impianti di accumulo energetico. Le batterie specifiche per lo stoccaggio non richiedono un'elevata densità energetica, ma una elevata sicurezza, poiché i sistemi elettrochimici di accumulo contengono da centinaia a decine di migliaia di batterie. Una volta che un incendio si sviluppa e si propaga, la situazione diventa estremamente difficile da gestire. Il 29 giugno 2022, l'Amministrazione Nazionale dell'Energia ha emesso un documento preliminare intitolato "Venticinque requisiti chiave per prevenire gli incidenti nella produzione di energia elettrica", in cui si stabilisce che negli impianti elettrochimici di grande scala non devono essere utilizzate batterie al litio ternarie né batterie sodio-zolfo, e che non devono essere impiegate batterie riciclate provenienti da applicazioni automobilistiche. Pertanto, le batterie per lo stoccaggio sono sostanzialmente tutte realizzate con tecnologia LFP.

riassunto:

Il mercato delle batterie per consumatori si è in gran parte stabilizzato, con la ricerca e sviluppo sulle batterie principalmente focalizzata sul raggiungimento di una maggiore densità energetica volumetrica e di capacità più elevate. La quota di mercato delle principali batterie per trazione è ormai consolidata, anche se una piccola parte è ancora in fase di riassetto. Attualmente, l'attenzione principale per le batterie per trazione è rivolta all'aumento dell'autonomia e alla velocità di ricarica. Anche per le batterie per immagazzinamento di energia non si sono registrati sviluppi significativi, con l'obiettivo principale rivolto verso capacità estremamente elevate, passando da 280Ah a 314Ah, fino ad arrivare ai 587Ah di CATL e Haichen, o ai 684Ah di Sungrow.