Oggi è in corso una gara tra le tecnologie delle batterie per conquistare il primo posto in una varietà di applicazioni. In definitiva, l'adattamento tra tecnologia della batteria / chimica e i requisiti richiesti da tali applicazioni determinerà i vincitori di questa guerra.
Le batterie agli ioni di litio (LIB) esistono dagli anni '80, ma la recente adozione dei LIB nei veicoli elettrici (veicoli elettrici) ha guidato lo sviluppo di nuove e migliori batterie chimiche. Un recente rapporto pubblicato da PreScouter descrive in dettaglio lo stato attuale del mercato LIB dei veicoli elettrici e come si evolverà il mercato nel prossimo decennio.
Secondo il rapporto, i fattori esterni guideranno l'adozione della batteria, con i principali fattori trainanti l'evoluzione dei costi delle materie prime chiave, le proiezioni della domanda / offerta e gli investimenti nello spazio da parte dei principali attori e governi.
La domanda di litio probabilmente raddoppierà
Con la crescente adozione di veicoli elettrici e la crescente domanda di accumulo di energia, la domanda di litio dalle applicazioni automobilistiche ha raggiunto oltre 34.000 t di LCE (equivalente carbonato di litio) nel 2017 e si prevede che raddoppierà entro la fine del decennio.
La ricerca e lo sviluppo hanno portato a grandi progressi nelle prestazioni della batteria, ma i problemi di sicurezza continuano ad essere uno svantaggio di queste tecnologie della batteria, poiché molti contengono cobalto, che è tossico e pericoloso per l'uomo, e può contribuire al degrado termico della batteria a temperature elevate . Altri fattori considerati nella scelta delle sostanze chimiche rilevanti per la batteria includono costo, durata, prestazioni, energia e densità di potenza.
La geopolitica delle batterie
La geopolitica è un fattore esterno chiave che potrebbe influenzare lo sviluppo della batteria. Le materie prime chiave utilizzate nella produzione di LIB che possono essere influenzate dalla geopolitica sono principalmente cobalto, nichel e litio.
Cobalto: il principale produttore mondiale di cobalto è la Repubblica democratica del Congo (RDC), che rappresenta il 50 percento della risorsa globale e il 64 percento della produzione di cobalto estratto nel 2017. Entro il 2025, la RDC rappresenterà l'80 percento del cobalto globale produzione. Si prevede che la domanda triplicherà fino a oltre 300.000 tonnellate entro il 2040, aumentando probabilmente il prezzo di questa risorsa.
Nichel: le batterie al nichel-manganese al cobalto (NMC) si sono evolute utilizzando tre volte meno cobalto nelle nuove batterie, sostituendo il contenuto di cobalto con il nichel. Sebbene il prezzo del nichel sia diminuito di recente, la forte domanda di nichel proveniente da queste nuove batterie sta già portando a un aumento del prezzo. Il prezzo del nichel è aumentato di oltre il 20 percento nel 2019, poiché le scorte detenute nei magazzini di tutto il mondo registrate al London Metal Exchange sono scese ai minimi pluriennali. Il mercato del nichel vale oltre $ 30 miliardi all'anno. L'offerta globale di 2,2 milioni di tonnellate all'anno viene prodotta principalmente in Indonesia (23 percento) e nelle Filippine (18 percento), con una trentina di altri paesi che rappresentano il 59 percento rimanente.
Litio: il litio rappresenta un mercato di 3,2 miliardi di dollari, con un consumo attuale che sale da 240.000 a 1,7 milioni di tonnellate entro il 2040. Tra le principali nazioni produttrici di litio vi sono Australia, Argentina e Cile. La Cina ha un'influenza materiale sul mercato, controllando la maggior parte degli impianti di conversione chimica utilizzati per migliorare i concentrati. Inoltre, diversi importanti produttori di litio hanno sede in Cina, tra cui Tianqi Lithium e Jiangxi Ganfeng. Tuttavia, i prezzi del litio dovrebbero scendere a causa della domanda che supera l'offerta.
Una carrellata dei principali prodotti chimici per batterie agli ioni di litio sul mercato
Batterie al litio nichel manganese ossido di cobalto (NMC): le batterie NMC rappresentano quasi il 28 percento delle vendite globali di veicoli elettrici e Fitch prevede che la quota di mercato salirà al 63 percento entro il 2027. La batteria NMC ha una durata di ciclo elevata adatta sia a griglia e griglie molto instabili, con prodotti commerciali che presentano uno stato di carica (SOC) del 60 percento superiore a 6000 cicli con una profondità di scarica del 90 percento (DOD).
Il SOC è il rapporto tra la capacità della batteria della corrente e la capacità nominale. Nelle applicazioni EV, il SOC viene utilizzato per determinare la gamma di veicoli elettrici. Il DOD si riferisce a quanta energia viene inserita e disinserita dalla batteria in un determinato ciclo. Indica la percentuale della batteria che è stata scaricata, in relazione alla capacità complessiva della batteria.
Il SOC è il rapporto tra la capacità della batteria della corrente e la capacità nominale. Nelle applicazioni EV, il SOC viene utilizzato per determinare la gamma di veicoli elettrici.
Batterie al litio nichel-cobalto ossido di alluminio (NCA): le batterie NCA stanno diventando sempre più importanti nei propulsori elettrici e nello stoccaggio della griglia a causa del recente aumento della densità di energia (> 280 Wh / kg), che era precedentemente nei 150-220 Wh / kg gamma. Le batterie NCA richiedono una piccola quantità di materiali attivi, ma possono offrire una maggiore densità di energia. Sono anche più stabili delle batterie NMC grazie all'aggiunta di alluminio.
Batterie al litio ferro fosfato (LFP): la domanda complessiva di mercato per LFP raddoppierà a oltre 200.000 tonnellate / anno. Si prevede che la regione Asia-Pacifico dominerà il mercato, con l'applicazione principale di automobili. Con intervalli di funzionamento da -4,4 gradi Celsius a 70 gradi Celsius, le batterie LFP gestiscono variazioni di temperatura molto più ampie rispetto ad altri prodotti chimici. Hanno anche un tasso di autoscarica leggermente più alto e una bassa tensione delle celle (3,3 V). I "fuggitivi termici", che si verificano quando la temperatura di una batteria aumenta continuamente, sono meno comuni per una batteria LFP, poiché non richiede il cobalto.
Batterie all'ossido di cobalto di litio (LCO) e all'ossido di manganese di litio (LMO): le batterie LCO (solo cobalto) e LMO (solo manganese) sono precursori delle batterie NMC e NCA. Le batterie LMO vengono solitamente utilizzate insieme alle batterie NMC nei veicoli elettrici. Questo tipo di batteria è stata introdotta per la prima volta nell'i-MiEV Mitsubishi con batterie Toshiba. Le miscele LMO-NMC si trovano nelle batterie dei vecchi modelli Nissan Leaf a causa dei loro vantaggi in termini di costi. Nel 2018, Nissan Leaf ha lanciato una miscela di LMO / NMC con una batteria da 40 kWh e le batterie sono state prodotte da AESC / LG Chem.
Tendenze attuali nel mercato dei veicoli elettrici
Allo stato attuale, le batterie con cobalto (NMC / NCA) sono preferite per la loro elevata densità di energia. Tuttavia, la sicurezza rimane un problema poiché NMC e NCA sono inclini a fuoriuscite termiche, soprattutto quando i dispositivi si riducono. Le fuoriuscite termiche possono essere causate da sovraccarico, un guasto interno, un danno fisico alla batteria, un ambiente caldo o una combinazione di quanto sopra.
Le batterie LFP offrono una possibilità significativamente ridotta di fuga termica, ma forniscono energia relativamente bassa e non contengono cobalto. Sebbene una batteria LFP abbia una durata di ciclo inferiore, è ampiamente utilizzata in Cina e, come tale, i cinesi (e i mercati globali) beneficiano di questa ben sviluppata infrastruttura produttiva e catena di fornitura.
capacità di accumulo di energia
Negli ultimi anni i chimici NMC sono diventati la tecnologia preferita dai produttori di apparecchiature originali nell'industria automobilistica. Ciò potrebbe cambiare in quanto le aziende stanno lavorando per implementare batterie contenenti meno cobalto a causa dei picchi di prezzi e preoccupazioni di tossicità.
Oggi, la chimica LFP domina il mercato cinese con oltre il 44 percento della domanda totale di chimica della batteria. Sebbene il resto del mondo preferisca i prodotti chimici NMC, il dominio cinese del settore nel prossimo decennio aumenterà i vantaggi dell'LFP rispetto a quelli NMC. Le vaste risorse cinesi in materiali terrestri come il fosfato portano anche a una preferenza di questa chimica.
Outlook e previsioni
Secondo la nostra ricerca, NMC diventerà il primo a dominare il settore dei veicoli elettrici nei primi anni del 2020, ma sarà superato dalle batterie LFP quando un nuovo aumento dei prezzi del cobalto coinciderà con un aumento della densità energetica di LFP ottenuta attraverso la ricerca e lo sviluppo.
L'aumento del costo del cobalto aumenterà anche il prezzo delle celle NMC rispetto alle celle LFP, poiché contengono cobalto, accelerando così il favore del mercato per LFP.
Se LFP acquisirà una quota di mercato rispetto a NMC, il mercato cinese diventerà il centro del segmento dei veicoli elettrici, con le parti interessate e le competenze chiave in ricerca e sviluppo, produzione e prodotti commerciali.
Intanto sono già pronte le batterie del futuro, più attenzione per l'ecologia e la natura e tempi di ricarica più veloci.
Alcuni ricercatori, coordinati dal chimico Hongjie Dai, sono convinti che in pochi anni le nuove batterie in alluminio potranno rimpiazzare quelle alcaline, molto inquinanti, e quelle agli ioni di litio, potenzialmente pericolose se utilizzate in modo scorretto. Da decenni l’alluminio è stato visto come un materiale interessante da utilizzare per costruire batterie, soprattutto a causa del suo basso costo, ma finora nessuna tecnologia ha mai permesso di raggiungere questo obiettivo. A trovare la soluzione è stato un gruppo di Stanford, la cui ricerca è stata finanziata dal Dipartimento Usa per l’Energia e dall’Istituto di ricerca tecnologica di Taiwan.
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