Um Guia Completo sobre Baterias de Íon-Lítio: Aplicações em Energia, Consumo e Armazenamento de Energia

As baterias de íon-lítio podem ser divididas em pequenas baterias para consumo (3C), baterias de íon-lítio para propulsão e grandes baterias para armazenamento de energia, de acordo com suas aplicações finais.

I. Bateria de Potência

As baterias de potência são baterias que fornecem energia para dispositivos motorizados e atualmente representam uma área de aplicação em rápido crescimento para as baterias de íon-lítio. São amplamente utilizadas em veículos elétricos, ferramentas elétricas, bicicletas elétricas e outros. As baterias de potência também são um tipo de bateria de armazenamento de energia, usadas principalmente em veículos elétricos. Devido às limitações de tamanho e peso dos automóveis, bem como aos requisitos de aceleração, as baterias de potência possuem exigências de desempenho mais elevadas do que as baterias comuns de armazenamento de energia. Essas exigências incluem maior densidade de energia, velocidades de carregamento mais rápidas e correntes de descarga maiores, enquanto as baterias comuns de armazenamento de energia não possuem requisitos tão rigorosos.

1. características do produto:

Para baterias de íon-lítio do tipo potência, são necessárias mais considerações quanto à velocidade de carregamento, autonomia, confiabilidade e consistência, dadas as exigências de longo prazo (pelo menos 5 a 10 anos). Densidade energética: o conjunto de baterias representa aproximadamente 25% do peso de um carro, e alterações no peso da bateria afetam diretamente o consumo energético do veículo. Para a mesma quantidade de carga, um conjunto de baterias com maior densidade energética resulta em maior autonomia. Velocidade de carregamento: a velocidade de carregamento também é um indicador crucial para as atuais baterias de tração. Os principais fabricantes de baterias estão atualmente projetando taxas de carregamento entre 4C e 6C, ou até superiores, para reduzir o tempo de espera do usuário. Segurança e consistência: os conjuntos de baterias para veículos elétricos utilizam um grande número de baterias conectadas em série e paralelo. Idealmente, a probabilidade de uma bateria de tração apresentar mau funcionamento (segurança, armazenamento, vida útil cíclica, etc.) deve ser inferior a um em cem milhões. Se essa probabilidade permanecer consistentemente baixa, a bateria é propensa a sobrecarga e descarga excessiva durante o uso, o que pode gerar problemas de segurança.

2. Tipo de eletrodo positivo:

Atualmente, os principais tipos de baterias de potência no mercado incluem baterias de lítio ternárias, baterias LiFePO4 e baterias LiMn2O4. Em termos de compatibilidade geral de baterias de potência, as baterias de lítio ternárias e as baterias LiFePO4 dominam o mercado. É claro que outro material catódico digno de nota no campo das baterias de potência é o NCA (níquel-cobalto-alumínio) (8:1,5:0,5), que possui alta densidade de energia por célula, mas também apresenta uma barreira de entrada muito alta.

II. Baterias para Consumidores

As baterias para consumidores são outra área importante de aplicação das baterias de íons de lítio. As baterias de íons de lítio para consumidores são usadas principalmente em produtos eletrônicos de consumo, como telefones móveis, laptops, câmeras digitais, filmadoras digitais, power banks e brinquedos elétricos — os chamados "produtos 3C" — para células e módulos de baterias de lítio. Elas são classificadas principalmente em baterias cilíndricas, prismáticas e em bolsa polimérica. As baterias de lítio cilíndricas têm um diâmetro maior, o que limita a espessura dos produtos eletrônicos finais; as baterias de lítio prismáticas possuem um design de aparência relativamente fixo e são difíceis de tornar finas. Portanto, nenhum desses dois tipos de baterias de lítio consegue atender aos requisitos de alguns produtos eletrônicos de consumo quanto a baterias finas, leves, de tamanho variável e seguras. As baterias de lítio em bolsa polimérica utilizam uma película de alumínio-plástico como invólucro, tornando-as leves, seguras e oferecendo opções de design mais flexíveis e maior densidade energética, sendo assim mais adequadas às exigências dos produtos eletrônicos de consumo por baterias finas, leves, de tamanho variável e seguras. Por isso, as baterias de lítio em bolsa polimérica são atualmente o tipo mais comumente utilizado de bateria de lítio para consumidores. A indústria de baterias para consumidores já está madura, e a demanda geral é relativamente estável.

1. características do produto:

As baterias de íons de lítio para consumo têm condições de uso relativamente menos rigorosas e não exigem confiabilidade a longo prazo. Elas geralmente são usadas isoladamente e não precisam ser combinadas com outras baterias, portanto os requisitos de consistência não são muito elevados. No entanto, devido ao espaço limitado e à importância do tamanho em produtos de consumo, como telefones celulares e tablets, as baterias de íons de lítio para consumo têm requisitos rigorosos quanto a dimensões, capacidade e densidade energética. As baterias de alta gama utilizam as tecnologias e materiais mais avançados, enquanto as baterias de tração exigem controles de processo, de consistência e de qualidade mais sofisticados. Os requisitos de vida útil por ciclos em produtos de consumo não são tão elevados quanto os das baterias de tração e armazenamento de energia. Por exemplo, após 2 ou 3 anos de uso, percebemos que a capacidade da bateria de um celular diminuiu para 80%, principalmente porque a maioria dos celulares é carregada uma ou duas vezes por dia. Isso faz com que a capacidade do aparelho caia abaixo de 80% em menos de 3 anos, momento em que será necessário substituir a bateria ou o próprio telefone.

2. Tipo de eletrodo positivo:

O óxido de lítio-cobalto (LCO) ainda domina o mercado de baterias para consumidores. Embora o NCM ternário (Non-Lithium Cobalt Oxide) ofereça alta capacidade específica, ele não está substituindo facilmente o LCO devido à produção de gás em altas tensões. Embora os materiais catódicos de LCO apresentem desvantagens como alto custo (devido ao caro cobalto), baixo desempenho cíclico e baixa segurança, sua alta densidade de compactação e alta tensão de operação ainda lhes conferem vantagem em produtos eletrônicos ultrafinos. A demanda permanece estável em smartphones, laptops e tablets de média e alta gama. Além disso, o aumento da capacidade da bateria em telefones 5G e o surgimento de novos eletrônicos de consumo, como drones, fones de ouvido TWS e cigarros eletrônicos, estão todos impulsionando a demanda do mercado por materiais catódicos de LCO. O LCO possui a mais alta densidade de compactação, resultando na mais alta densidade energética volumétrica dentro do volume limitado dos eletrônicos de consumo. Excelente densidade de compactação, densidade energética volumétrica, desempenho cíclico e desempenho em temperaturas altas/baixas, juntamente com a possibilidade de aumentar ainda mais a densidade energética do LCO elevando o potencial de corte de carga, tornam os materiais LCO de alta tensão e alta compactação a direção futura.

III. Baterias de Armazenamento de Energia

As baterias de armazenamento de energia referem-se a baterias que armazenam energia elétrica, convertendo-a em energia química. Atualmente, o mercado de baterias de armazenamento de energia possui duas principais áreas de aplicação: armazenamento de energia elétrica e armazenamento residencial de energia. As baterias para armazenamento de energia são essencialmente uma tecnologia de armazenamento de energia elétrica, a tecnologia para armazenar energia elétrica. Cenários de aplicação incluem armazenamento por bombeamento hidráulico, armazenamento por baterias, armazenamento mecânico e armazenamento por ar comprimido, os quais podem ser aplicados em diversos campos industriais. As baterias de armazenamento residencial de energia são geralmente voltadas para uso externo; por exemplo, durante apagões em casa ou ao acampar, é necessária uma bateria de armazenamento de energia de alta capacidade e longa duração para necessidades imprevistas.

1. características do produto:

As baterias de lítio para armazenamento de energia têm requisitos mais elevados em relação à vida útil. A vida útil dos veículos elétricos geralmente é de 5 a 8 anos, enquanto os projetos de armazenamento de energia normalmente visam uma vida útil superior a 10 anos. A vida em ciclos das baterias de lítio para tração é de 1.000 a 2.000 ciclos, enquanto as baterias de lítio para armazenamento de energia geralmente exigem uma vida em ciclos superior a 5.000 ciclos. Isso ocorre porque as baterias de armazenamento não priorizam a densidade energética volumétrica e gravimétrica, mas sim a segurança e o custo. Do ponto de vista das propriedades intrínsecas dos materiais, o fosfato de ferro e lítio apresenta melhor estabilidade térmica e menor custo de material em comparação com as baterias de lítio ternárias, e sua vida útil em ciclos já atingiu quase 10.000 ciclos; assim, sua aplicação no mercado global de armazenamento de energia está se tornando cada vez mais ampla.

2. Tipo de eletrodo positivo:

Há algumas diferenças entre baterias de lítio para propulsão e baterias de lítio para armazenamento de energia, mas do ponto de vista da célula em si, ambas aparentemente podem usar baterias de fosfato de ferro e lítio (LFP) e baterias de lítio ternárias. No entanto, nas aplicações de armazenamento de energia, as baterias LFP são quase exclusivamente utilizadas. Isso se deve principalmente aos frequentes acidentes de segurança em usinas de armazenamento de energia. As baterias específicas para armazenamento de energia não exigem alta densidade energética, mas sim alta segurança, porque os sistemas eletroquímicos de armazenamento de energia contêm centenas a dezenas de milhares de baterias. Uma vez que um incêndio irrompe e se espalha, a situação torna-se extremamente difícil de controlar. Em 29 de junho de 2022, a Administração Nacional de Energia emitiu uma minuta com opiniões sobre "Vinte e Cinco Requisitos-Chave para Prevenir Acidentes na Produção de Energia", que estipulava que usinas de armazenamento de energia eletroquímica em larga escala não deveriam usar baterias de lítio ternárias nem baterias de sódio-enxofre, e tampouco deveriam utilizar baterias de propulsão recicladas. Portanto, as baterias para armazenamento de energia são basicamente todas feitas de LFP.

resumo:

O mercado de baterias para consumidores estabilizou-se em grande parte, com a pesquisa e desenvolvimento de baterias focada principalmente em alcançar maior densidade energética volumétrica e maior capacidade. A participação de mercado das principais baterias automotivas já está em grande parte consolidada, com uma pequena parcela ainda em reconstrução. Atualmente, o foco principal das baterias automotivas é aumentar a autonomia e a velocidade de carregamento. As baterias para armazenamento de energia também não apresentaram desenvolvimentos significativos recentes, buscando principalmente capacidades extremamente elevadas, passando de 280Ah para 314Ah, e agora chegando às baterias de 587Ah da CATL e Haichen, ou à de 684Ah da Sungrow.