Qual é a classificação dos lit
baterias de íons?
As baterias de lítio são divididas principalmente em três categorias
de acordo com cenários de aplicação
, que também são as três seções principais deste artigo:
baterias de consumo
,
baterias de energia
, e
baterias de armazenamento de energia
.
I. Baterias de consumo
Usado principalmente em produtos 3C, como celulares, laptops e tablets, enfatizando portabilidade, alta densidade de energia e recursos de carregamento rápido.
1. Classificação: As baterias secundárias de lítio são os principais produtos das baterias de consumo atuais
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Baterias primárias: baterias de zinco-manganês, baterias alcalinas de zinco-manganês, baterias primárias de lítio (dióxido de lítio-manganês; cloreto de lítio-tionila; dissulfeto de lítio-ferro).
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Baterias secundárias: baterias de chumbo-ácido, baterias de níquel-cromo, baterias de níquel-hidreto metálico, baterias de íons de lítio.
2. Três tipos de embalagens de baterias de consumo
Atualmente, as baterias de lítio de consumo usam principalmente baterias de polímero de lítio.
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Projeto
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Bateria prismática
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Bateria cilíndrica
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Bateria de polímero
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Caixa de bateria
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Caixa de aço ou alumínio
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Caixa de aço ou alumínio
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Filme de alumínio-plástico
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Vantagens
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Baixa resistência interna da bateria; Processo simples de embalagem; Grande capacidade de célula
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Processo de produção maduro, alto rendimento e consistência; alta segurança; amplas áreas de aplicação; alta densidade de energia celular
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Fino, leve, baixa resistência interna; alta densidade energética da mochila; excelente desempenho de segurança, baixo risco de explosão; design flexível, adaptável a qualquer formato.
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Desvantagens
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Baixa consistência, baixa padronização; altos requisitos de controle de segurança
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Alto custo do pacote; altos requisitos para bateria; altos requisitos de conexão e gerenciamento da bateria.
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Baixa resistência mecânica; alto custo de fabricação.
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Áreas de aplicação
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Veículos de passageiros, veículos comerciais, armazenamento de energia
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Veículos de passageiros, ferramentas elétricas, bicicletas elétricas, veículos de logística, casas inteligentes, armazenamento de energia
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Produtos Digitais 3C, Veículos de Passageiros, Armazenamento de Energia
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3. Outras formas
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Baterias de lítio tipo botão
As baterias em formato de botão são divididas em tipo botão de casca rígida e tipo botão de embalagem macia. As peças polares internas das baterias tipo botão de casca rígida adotam o processo de laminação e são embaladas em invólucros de aço ou alumínio; as baterias tipo botão de casca macia adotam o processo de enrolamento e são embaladas em filme plástico de alumínio; as baterias tipo botão são usadas principalmente em fones de ouvido Bluetooth, fones de ouvido para dormir e produtos vestíveis.
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Baterias de lítio com formato especial
Com o aumento do tamanho das telas dos smartphones e a busca por leveza e espessura, os fabricantes de celulares utilizam baterias de célula dupla e formatos especiais para aproveitar ao máximo o espaço interno do aparelho. Por exemplo, o iPhone XS Max utiliza uma estrutura de célula dupla, e o iPhone 11Pro/13Pro utiliza uma estrutura de bateria em formato L com formato especial. O surgimento de pulseiras e anéis inteligentes também traz novos requisitos para o formato da bateria, como a aplicação de baterias curvas em pulseiras inteligentes.
4. Aplicações posteriores de baterias de lítio de consumo
(1) Computadores portáteis
Smartphones, tablets e outros produtos impactaram as vendas de laptops, mas ainda há demanda por substitutos novos e existentes. À medida que os requisitos de portabilidade dos laptops se tornam cada vez maiores, as baterias de lítio estão se tornando mais leves e finas.
(2) Computadores tablet
Os tablets estão posicionados entre os computadores e os smartphones. Devido à sua portabilidade, facilidade de uso e boa aparência, o mercado se desenvolve de forma estável.
(3) Smartphones
O mercado de smartphones está maduro, o ciclo de substituição é prolongado e o mercado está relativamente saturado. A inflação em mercados emergentes como Ásia-Pacífico, Oriente Médio, África e América Latina diminuiu, estimulando, até certo ponto, o crescimento das remessas de celulares.
(4) Telemóveis com IA
Intel, Qualcomm, Lenovo, Xiaomi, entre outras, estão desenvolvendo principalmente celulares com IA+ e PCs com IA+. A IA de ponta pode inaugurar uma nova era. Por exemplo, modelos grandes de celulares equipados com IA generativa, como Samsung Galaxy S24, Meizu 21 Pro, Xiaomi 14 Ultra, OPPO FindX7, entre outros, foram lançados no primeiro semestre de 2024.
(5) Dispositivos vestíveis
Relógios inteligentes, fones de ouvido Bluetooth, óculos inteligentes, etc., dispositivos vestíveis têm grande potencial de crescimento como porta de entrada para a Internet das Coisas.
(6) Mercado de ferramentas elétricas
Indústria de máquinas, decoração de edifícios, paisagismo, etc., e futuras aplicações serão em casas inteligentes, armazenamento portátil de energia, resposta a emergências e outros campos.
(7) Veículos elétricos de duas rodas
O crescimento das remessas desacelerou. A China é o maior exportador de veículos elétricos de duas rodas, e as exportações continuam a aumentar.
América do Norte, Europa e Sudeste Asiático são os principais destinos das exportações de veículos elétricos da China. Os veículos elétricos de duas rodas da China são isentos de tarifas quando exportados para os Estados Unidos. Em 2023, as vendas de veículos elétricos de duas rodas da China para os Estados Unidos atingiram 4,564 milhões de unidades, representando mais de 30% do total exportado. Muitos países do Sudeste Asiático implementaram políticas de conversão de petróleo em eletricidade para incentivar marcas estrangeiras a instalar fábricas em suas regiões.
(8) UAVs
Os VANTs são amplamente utilizados em fotografia aérea, fotografia, agricultura, topografia e mapeamento, meteorologia, comunicações, segurança pública e outros campos.
Com mais de 15 anos de experiência na indústria de baterias de lítio, a ACEY possui fortes capacidades de P&D e ampla experiência em fabricação, permitindo-lhe fornecer alto desempenho e alta segurança
soluções completas para montagem de baterias
em aplicações como laptops, celulares, veículos elétricos de duas rodas e drones, etc.
II. Baterias de energia
Usados em veículos como veículos elétricos, eles devem atender aos requisitos de alta potência e longo alcance de condução, bem como ciclo de vida e segurança.
1. Classificação
As baterias de potência podem ser divididas principalmente em baterias de material ternário e baterias de fosfato de ferro-lítio, de acordo com os diferentes materiais do eletrodo positivo; de acordo com os diferentes métodos e formatos de encapsulamento, podem ser divididas em baterias prismáticas, baterias de polímero e baterias cilíndricas. Materiais ternários referem-se a óxido de lítio-níquel-cobalto-manganês (NCM) ou óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA); a maior diferença entre estruturas de encapsulamento flexível e estruturas quadradas e cilíndricas é o formato do invólucro e o processo de fabricação.
2. Histórico de desenvolvimento de baterias elétricas
Nos estágios iniciais do desenvolvimento da indústria, quando a densidade energética era uma preocupação fundamental, os cátodos ternários predominavam devido à sua maior densidade energética do que as baterias de ferro-lítio e maior autonomia. Ao mesmo tempo, os materiais ternários também apresentaram uma tendência a um maior teor de níquel. O processo de encapsulamento de baterias soft-pack rapidamente conquistou participação de mercado devido à sua alta densidade energética e excelente segurança.
Nos estágios intermediários de desenvolvimento da indústria, o fosfato de ferro-lítio (LiFePO4) tornou-se o material principal devido à sua excelente segurança e baixo custo. Impulsionada pelas tecnologias CTP e sem módulos, a eficiência da montagem da bateria aumentou significativamente, aumentando a autonomia das baterias LiFePO4. Além disso, as baterias blade melhoram a utilização do espaço da bateria e a segurança, reduzindo os custos da bateria. Projetos estruturais sem módulos (CTP e CTC) também aumentam a eficiência da montagem da bateria.
A indústria entrou agora em um estágio maduro, com caminhos tecnológicos cada vez mais diversificados e uma nova tendência para o carregamento rápido de alta tensão. As baterias geralmente atendem ao requisito de autonomia de 600 km, com foco em melhorar a eficiência e a segurança do carregamento. Nesse momento, o LiFePO4 ganhou atenção devido à sua alta densidade energética e excelente segurança. Baterias de estado semissólido e coletores de corrente compostos, entre outros materiais que podem melhorar o desempenho da bateria, também ganharam força. Ao mesmo tempo, o eletrodo negativo de silício-carbono feito de nano-silício tem bom desempenho de carregamento rápido e alta densidade energética. Em termos de tecnologia de encapsulamento, as atualizações tecnológicas CTC e CTB aumentam o espaço do eixo Z no carro, melhoram a durabilidade e reduzem custos.
3. Cadeia Industrial
(1) Materiais Catódicos
O fosfato de ferro ternário e o fosfato de lítio são os dois principais
materiais catódicos
para baterias de energia. O ternário pode ser dividido em NCM níquel-cobalto-manganês e NCA níquel-cobalto-alumínio.
Impulsionado pela alta prosperidade do mercado downstream e pelo fato de que o fosfato de ferro-lítio supera as baterias ternárias em densidade de energia e desempenho de carregamento rápido, suas vantagens de segurança e custo são proeminentes, tornando-o o principal material para eletrodos positivos.
Uma das maneiras de melhorar o desempenho dos materiais de eletrodo positivo de fosfato de ferro-lítio é aumentar a densidade de compactação, que se refere à massa de material ativo contida em um eletrodo unitário sob condições específicas de pressão, o que afeta diretamente a capacidade específica do eletrodo, a eficiência de carga e descarga, a resistência interna e o desempenho do ciclo da bateria. Baterias de carregamento rápido precisam reduzir a espessura do eletrodo para reduzir a resistência interna e aumentar a taxa de compactação, enquanto o aumento da densidade de compactação pode manter ou até mesmo aumentar a densidade de energia em uma espessura de eletrodo mais fina.
O volume de remessas de eletrodos positivos ternários deve atingir 750.000 toneladas em 2024.
O mercado de materiais para eletrodos ternários positivos é fragmentado e a competição entre os fabricantes é acirrada. Em 2023, o CR3 representa apenas 41%. A capacidade de produção de eletrodos ternários positivos está sendo gradualmente ampliada, e a concentração da indústria está aumentando ainda mais.
(2)
Materiais de ânodo
Os materiais anódicos são divididos em duas categorias: materiais de carbono e materiais sem carbono. Os materiais de carbono incluem materiais de grafite, como grafite natural e grafite artificial. A estrutura em camadas dos eletrodos negativos de grafite é propícia à inserção e desinserção de íons de lítio. Os materiais sem carbono incluem materiais à base de silício, titanato de lítio, materiais à base de estanho, nitretos, etc. Os materiais à base de silício são considerados a próxima geração de tecnologia devido à sua alta capacidade específica teórica (4200mAh/g), que é muito superior à capacidade real do grafite, de 360mAh/g. Ao mesmo tempo, os materiais à base de silício são ricos em recursos naturais, de baixo custo e ecologicamente corretos.
(3)
Eletrólito da bateria
O eletrólito é composto por sal de lítio, solvente e aditivos. De acordo com a proporção em massa, o sal de lítio representa cerca de 10% a 15% do eletrólito, o solvente orgânico representa 80% e os aditivos representam 5% a 10%. O soluto mais utilizado atualmente é o hexafluorofosfato de lítio (LiPF6). Diferentes proporções de aditivos, como aditivos formadores de filme, aditivos de proteção contra sobrecarga, aditivos para altas/baixas temperaturas, aditivos retardantes de chama e aditivos de taxa, têm um impacto significativo no desempenho do eletrólito.
(4)
Separador
O separador é um componente crucial das baterias de lítio e um material essencial com as maiores barreiras técnicas na cadeia da indústria. Suas principais funções são isolar os eletrodos positivo e negativo um do outro para evitar curtos-circuitos e fornecer um caminho para a migração de íons de lítio durante o carregamento e o descarregamento. O separador impacta significativamente a resistência, a capacidade e a vida útil da bateria, determinando, em última análise, sua segurança.
Os separadores convencionais são separadores de poliolefina, incluindo principalmente polipropileno, polietileno e compostos de polipropileno-polietileno.
Separadores com revestimento úmido serão o futuro do desenvolvimento de separadores. São mais caros do que os com revestimento seco, mas oferecem melhor porosidade e permeabilidade ao ar, permitindo separadores mais finos e leves. A tecnologia de revestimento pode aumentar a resistência à perfuração e a segurança dos separadores com revestimento úmido. Os materiais de revestimento são diversos, incluindo cerâmica, PVDF e aramida.
4. Direção do desenvolvimento tecnológico futuro
(1) Bateria de estado sólido
Refere-se ao uso de eletrólitos sólidos para substituir o eletrólito e o diafragma das baterias de lítio tradicionais, a fim de obter transmissão iônica e armazenamento de carga. De acordo com a porcentagem em massa do eletrólito, as baterias de estado sólido são divididas em: baterias semissólidas (com teor de eletrólito de 5% a 10%), baterias de estado quase sólido (0% a 5%) e baterias de estado sólido (com 0% de eletrólito). Ou seja, os eletrodos e eletrólitos positivos e negativos das baterias de estado sólido são todos materiais sólidos.
Eletrólitos de estado sólido são a chave técnica para baterias de estado sólido. O eletrólito de estado sólido ideal deve ter condutividade eletrônica insignificante, excelente condutividade de íons de lítio, boa compatibilidade química, estabilidade e características de produção em larga escala de baixo custo. Os eletrólitos atuais incluem: sulfetos, óxidos, haletos metálicos e polímeros.
Os materiais do eletrodo negativo da bateria de estado sólido incluem principalmente três categorias: eletrodo negativo de metal-lítio, eletrodo negativo de grupo carbono e eletrodo negativo de óxido.
As baterias tradicionais de lítio líquido utilizam principalmente materiais do grupo carbono (como grafite) como eletrodos negativos, mas são limitadas pela capacidade específica à base de carbono, e o espaço para desenvolvimento futuro é limitado. Materiais de eletrodo negativo à base de silício têm alta capacidade específica teórica e representam uma direção importante para a iteração de sistemas de materiais de eletrodo negativo. No entanto, materiais à base de silício sofrem expansão de volume severa durante a carga e descarga, e seu desempenho no ciclo se deteriora. Isso pode ser melhorado por meio de revestimento de carbono, nanomaterialização e outros meios técnicos. Eletrodos negativos de lítio metálico são considerados o objetivo final devido à sua capacidade específica teórica extremamente alta, mas enfrentam desafios no crescimento de dendritos de lítio e na estabilidade química.
Os materiais de eletrodo positivo de bateria de estado sólido estão concentrados principalmente em eletrodos positivos ternários de alto níquel, óxido de lítio-níquel-manganês e rotas baseadas em manganês rico em lítio.
(2) Reciclagem de baterias de energia
Atualmente, os métodos de reciclagem de baterias são divididos principalmente em utilização em cascata e reciclagem por desmontagem.
A utilização em cascata refere-se ao processamento de baterias desativadas com alta capacidade residual que atendem aos requisitos de uso para uso secundário, como armazenamento de energia, veículos de baixa velocidade, subestações de estações rádio-base, etc. Geralmente, as baterias de fosfato de ferro-lítio apresentam boa vida útil e boa estabilidade térmica, tornando-as mais adequadas. A reciclagem por desmontagem refere-se ao uso de baterias descartadas por meio de tecnologia de processo para recuperar metais como níquel, cobalto, manganês, cobre, alumínio e lítio na bateria e, em seguida, reciclar esses materiais. As baterias ternárias apresentam alto teor de metais raros, alto valor de reciclagem, baixa vida útil e baixa estabilidade térmica, tornando-as mais adequadas.
Quando a capacidade da bateria cai abaixo de 80%, ela só pode ser reciclada. A bateria reciclada deve passar por pré-descarga, desmontagem, separação e outros processos de pré-processamento. Atualmente, existem três métodos de reciclagem: pirólise, reciclagem úmida e reciclagem biológica. A reciclagem úmida refere-se ao uso de uma solução específica para lixiviar o material do eletrodo positivo, de modo que o metal valioso seja dissolvido no solvente na forma de íons, e então os íons metálicos sejam separados e purificados por precipitação química, extração por solvente e outros métodos. A reciclagem úmida ainda é necessária para a separação e extração de elementos metálicos no estágio posterior da pirólise. A reciclagem biológica tem a característica de um longo ciclo de cultivo.
(3) Coletor de corrente composto
O tradicional
coletor de corrente de bateria
É uma folha de cobre puro ou folha de alumínio. O coletor de corrente composto refere-se a um novo material feito por revestimento uniforme de cobre na superfície do substrato, utilizando magnetron sputtering e outros métodos, na superfície de filmes plásticos de PET, PP e outros materiais. Quando a bateria entra em curto-circuito, a camada de material polimérico no meio do coletor de corrente composto derrete e produz um curto-circuito, o que pode suprimir a corrente de curto-circuito, controlar a fuga térmica da bateria e, fundamentalmente, resolver o problema de explosão e incêndio das células da bateria. Além disso, a folha de cobre composto tem menor custo e peso do que a folha de cobre tradicional, aumentando a densidade energética da bateria em mais de 5%.
III. Baterias de armazenamento de energia
Usadas em cenários como redução de picos de energia na rede, armazenamento de energia residencial e armazenamento de energia comercial e industrial, essas baterias exigem longos tempos de carga e descarga (mais de 2 horas), priorizam o ciclo de vida e a relação custo-benefício e têm requisitos de densidade de energia mais baixos.
Dados indicam que as remessas de baterias de lítio para armazenamento de energia ultrapassarão 320 GWh em 2024, com uma taxa de crescimento superior a 50%. Em termos de estrutura de remessa, as células de armazenamento de energia continuarão sendo a principal fonte de remessas, respondendo por mais de 80%. Destes, as remessas de baterias de armazenamento de energia atingiram aproximadamente 280 GWh, com uma taxa de crescimento superior a 65%; as remessas de baterias de armazenamento doméstico atingiram aproximadamente 26 GWh, com uma taxa de crescimento superior a 30%; e as remessas de baterias de armazenamento de energia comerciais e industriais atingiram aproximadamente 10 GWh, com uma taxa de crescimento superior a 40%. As baterias de fosfato de ferro-lítio representam mais de 90% das células enviadas e são a tecnologia predominante.
Espera-se que as remessas globais de baterias de lítio para armazenamento de energia aumentem 55% em relação ao ano anterior em 2024, com as empresas chinesas contribuindo com mais de 90% da capacidade de produção global. Com base nas remessas de armazenamento de energia residencial, as baterias de 50-100 Ah são as principais no mercado, com 80% exigindo uma vida útil de 6.000 ciclos, e os produtos de ponta chegando a 10.000 ciclos.
Atualmente, os principais fabricantes de células de 280 Ah estão em transição para células de 314 Ah. De acordo com dados do GGII, a taxa de transição de capacidade atingiu 52%. Como o invólucro, a estrutura e as dimensões das duas baterias permanecem inalterados, as empresas líderes podem continuar a utilizar linhas de produção de 280 Ah, com mudanças principalmente nos processos e materiais.
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