¿Cuáles son los tres materiales que constituyen una pila ternaria de litio?

1.¿Cuáles son los tres materiales que constituyen una pila ternaria de litio?

El material del electrodo positivo de un batería de litio consiste generalmente en baterías de carbonato de litio, fosfato de hierro y litio, óxido de manganeso y níquel-hidruro metálico; el material del electrodo negativo consiste generalmente en el electrodo positivo de las baterías de níquel-hidruro metálico y el electrodo negativo de las baterías de níquel-cobalto; el separador consiste generalmente en polipropileno; y el electrolito consiste generalmente en aceite mineral y disolventes. La estabilidad del rendimiento de las pilas se garantiza mediante diferentes estructuras de los materiales de los electrodos y los electrolitos. El material del electrodo es un compuesto polimérico (como el poliacrilonitrilo), que tiene una elevada superficie específica y actividad química, mientras que el electrolito es una mezcla líquida que presenta una buena estabilidad química, fluidez electrolítica y es fácil de controlar en cuanto a viscosidad y acidez. Los separadores pueden dividirse en separadores microporosos y separadores de panal. Los separadores microporosos se utilizan generalmente en los paquetes de baterías de iones de litio, los separadores de nido de abeja se utilizan en los paquetes de baterías de vehículos eléctricos, y los separadores de nido de abeja se utilizan en los paquetes de condensadores de los paquetes de baterías de carga de automóviles.

2.Características estructurales de las baterías de litio ternarias

Las baterías ternarias de litio utilizan litio metálico como material del electrodo positivo y emplean una estructura NCA/NCA. Su característica estructural es el uso de litio metálico en lugar de material NCA en el electrodo negativo. Como el material del electrodo positivo es el componente más importante de los materiales ternarios, ocupa el mayor espacio, mientras que el material del electrodo negativo cumple una función protectora. La carcasa de la batería también se instala en la parte inferior de la batería, y se compone principalmente de una carcasa y un separador. El separador contiene agentes reticulantes de alcóxido de silicio, que separan la capa del electrodo positivo y facilitan el intercambio de carga con el lado del electrodo negativo, por lo que el rendimiento del separador afecta en gran medida a la capacidad y la seguridad de la batería. Además, el litio metálico es un excelente conductor con una buena conductividad térmica. Es crucial para las baterías ternarias de litio formar una película protectora firme e insoluble entre los iones de litio y las moléculas de litio metálico.

Debido a su mayor densidad energética y coste (utiliza el metal más preciado, el cobalto), el óxido de litio y cobalto (LCO) se utiliza sobre todo en electrónica de consumo, donde la sensibilidad al precio de las baterías es baja.
En el campo de la energía, de 2009 a 2016, el fosfato de hierro y litio (LFP) dominó en turismos (menos de 9 plazas) y vehículos comerciales (9 plazas o más, o principalmente de carga) debido a su bajo coste y alta seguridad.
Después de 2016, con el aumento de la demanda de baterías de alta densidad energética en los vehículos de consumo y las políticas que favorecen este tipo de baterías, surgieron los materiales ternarios en los turismos, mientras que los vehículos comerciales siguieron dependiendo principalmente de LFP.
En el almacenamiento de energía, los mercados extranjeros utilizan principalmente materiales ternarios, mientras que en el mercado nacional se emplea sobre todo fosfato de hierro y litio, especialmente fosfato de hierro y litio reciclado. Con la madurez de la tecnología nacional de baterías de litio hierro fosfato (LFP), la reducción de costes y la seguridad verificada, el LFP de producción nacional penetra gradualmente en el mercado mundial de almacenamiento de energía.

3. Los cuatro principales materiales de las pilas de litio

Las baterías de iones de litio representan las baterías modernas de alto rendimiento, formadas por materiales de electrodos positivos, materiales de electrodos negativos, separadores y electrolitos como los cuatro componentes principales. Su rendimiento requiere una alta densidad energética, una larga vida útil y una seguridad fiable.

La cadena de suministro de electrificación nacional está bien establecida, y el panorama está claro. En 2019, las empresas chinas representaron 77% del CR4 en las industrias de baterías de energía/electrodos positivos/electrodos negativos/separadores/electrolitos, respectivamente, lo que indica claros líderes de la industria en cada subcampo.

(1) Materiales del electrodo positivo de las pilas de litio

En los últimos años, el auge de la producción y las ventas de vehículos de nueva energía en China ha impulsado el rápido desarrollo de toda la cadena industrial ascendente y descendente, especialmente la creciente demanda de baterías eléctricas. Dado que las baterías eléctricas representan entre el 30 y el 40% del coste de fabricación de los vehículos de nueva energía, para que estos vehículos sean más competitivos en precio y ganen suficiente competitividad en el mercado, es crucial reducir el coste de las baterías eléctricas. Entre los costes constituyentes de las baterías de potencia, el coste de los materiales del electrodo positivo supera las 40% (equivalente a unas 16% de todo el vehículo), por lo que reducir el coste de los materiales del electrodo positivo es fundamental.

Las estadísticas muestran que en 2020, la producción total de los cuatro principales materiales de electrodos positivos en China fue de 519.000 toneladas, con un aumento interanual de 20,8%, destacando los materiales de fosfato de hierro y litio, que alcanzaron una producción de 142.000 toneladas, con un aumento interanual de 45,7%. La producción de materiales de electrodos positivos de cobalato de litio y óxido de litio y manganeso fue de 73.800 y 92.900 toneladas respectivamente, con incrementos interanuales de 24,8% y 21,6%; la tasa de crecimiento de la producción de materiales ternarios fue la más lenta, sólo 7%, con una producción anual total de 210.000 toneladas.
En el primer trimestre de 2020, hubo 17 fabricantes de materiales de electrodos positivos que lograron el suministro, una disminución de 7 en comparación con 2019, lo que indica que la reorganización de la industria ha comenzado, con pequeñas empresas con poca capacidad de producción, tecnología y estructura de clientes que comienzan a salir del mercado, y se espera que aumente la concentración.

Los materiales de los electrodos positivos son uno de los materiales clave que determinan el rendimiento de las baterías de iones de litio y son también la principal fuente de iones de litio en las baterías de iones de litio comerciales. Su rendimiento y precio afectan significativamente a la densidad energética y al rendimiento de las baterías de litio. En la actualidad, los materiales de electrodos positivos desarrollados y aplicados con éxito incluyen principalmente óxido de cobalto de litio, fosfato de hierro de litio, óxido de manganeso de litio y materiales ternarios (níquel cobalto manganeso litio, óxido de níquel litio), siendo los principales materiales de electrodos positivos para baterías de litio en China el fosfato de hierro de litio y los materiales ternarios.

El óxido de litio y cobalto tiene un coste elevado y una vida útil corta, por lo que se utiliza principalmente en productos 3C; el óxido de litio y manganeso tiene una densidad energética baja y una vida útil corta pero un coste bajo, por lo que se utiliza principalmente en vehículos especiales; el fosfato de litio y hierro tiene una vida útil larga, una buena seguridad y un coste bajo, por lo que se utiliza principalmente en vehículos comerciales; los materiales ternarios, especialmente el NCM, tienen una densidad energética alta, un buen comportamiento en ciclos y una vida útil larga, por lo que se utilizan principalmente en vehículos de pasajeros.

Muchas empresas de baterías ternarias se están concentrando en la investigación y el desarrollo de baterías ternarias de alto contenido en níquel. Aunque las baterías ternarias de litio son ligeramente inferiores a las de litio hierro fosfato en cuanto a seguridad y estabilidad, tienen ventajas en densidad energética, resistencia a bajas temperaturas y autonomía que otras baterías no pueden igualar.

Los materiales de los electrodos positivos deben tener las siguientes características:

A.Tener un alto potencial de reacción redox para conseguir un alto voltaje de salida de las baterías de iones de litio;
B.Alto contenido de litio, alta densidad de apilamiento de materiales, lo que se traduce en una alta densidad energética de las baterías de iones de litio;
C.Buena estabilidad estructural durante los procesos de reacción química, lo que se traduce en una larga vida útil de las baterías de iones de litio;
D.Alta conductividad, lo que se traduce en un buen rendimiento de la tasa de carga y descarga de las baterías de iones de litio;
E.Buena estabilidad química y estabilidad térmica, no es fácil de descomponer o calentar, lo que resulta en una buena seguridad de las baterías de iones de litio;
F.Bajo coste, lo que se traduce en un coste suficientemente bajo de las baterías de iones de litio;
G.Proceso de fabricación relativamente sencillo, adecuado para la producción a gran escala;
H.Baja contaminación ambiental, fácil de reciclar y reutilizar.
En la actualidad, indicadores clave como la densidad energética, la velocidad de carga y descarga y la seguridad de las baterías de iones de litio se ven limitados principalmente por los materiales positivos de los electrodos.

(2) Materiales del electrodo negativo de las pilas de litio

El electrodo negativo es uno de los principales componentes de las baterías de litio, y consiste en materiales activos para el electrodo negativo, aglutinantes y aditivos mezclados en una pasta y aplicados uniformemente a ambas caras de una lámina de cobre, para después secarse y enrollarse.

Los materiales de electrodos negativos se refieren principalmente a los materiales activos de electrodos negativos. Los electrodos negativos pueden dividirse en dos categorías: materiales de carbono y materiales sin carbono. Entre los materiales de carbono se incluyen el grafito artificial, el grafito natural, las microesferas de carbono mesofásico, el carbono duro y el carbono blando, mientras que entre los materiales que no son de carbono se incluyen los materiales a base de silicio, los materiales a base de estaño y el óxido de litio y titanio.

4.Composición de los materiales del electrodo positivo de la batería ternaria de iones de litio

Los materiales del electrodo positivo de las baterías ternarias de iones de litio se componen principalmente de cuatro elementos: níquel (Ni), cobalto (Co), manganeso (Mn) y litio (Li). En el proceso general de producción de materiales de electrodos positivos, las fuentes de diversos elementos son el sulfato de níquel, el sulfato de cobalto, el sulfato de manganeso y el carbonato de litio, respectivamente. En los siguientes apartados se analizan las fuentes minerales de estos elementos, sus principales distribuciones geográficas, la abundancia de estos recursos en China y cómo afecta el desarrollo de la cadena industrial de las baterías ternarias de iones de litio a la demanda de estos recursos.

(1) Recursos de litio

Las empresas de extracción y producción de mineral de litio suministran principalmente carbonato de litio o hidróxido de litio de calidad para pilas como materias primas a los fabricantes de materiales de electrodos positivos para pilas. Existen cuatro métodos principales para preparar sales de litio a partir de minerales de litio: el método de la cal, el método del ácido sulfúrico y el sulfato, y el método de tostado del cloruro. El proceso principal de estos cuatro métodos consiste en sinterizar los minerales de litio con ácido sulfúrico o sulfatos, cal o cloruros, y después producir productos de sal de litio mediante procesos como la disolución y la filtración. En la actualidad, el principal proceso de obtención de sal de litio adopta el método del ácido sulfúrico.

Las principales materias primas del mineral de litio son la espodumena y la mica de litio. El espodumeno es la fuente más rica en litio y la más propicia para la producción industrial. A escala mundial, los yacimientos de espodumeno ricos en litio se distribuyen principalmente en Australia, Canadá, Zimbabue, Zaire, Brasil y China; los yacimientos de mica de litio se encuentran principalmente en Zimbabue, Canadá, Estados Unidos, México y China.
China cuenta con excelentes condiciones para la formación de mineral de litio. De acuerdo con las condiciones y leyes de formación de mineral de litio, China ha dividido el país en 12 regiones de cinturones de formación de mineral de litio, como Songpan-Ganzi, Altai, Tíbet Norte y Qaidam, y ha previsto que los recursos potenciales de litio (LiCl) de las minas de litio de salmuera asciendan a 92,48 millones de toneladas, de las cuales 52,21 millones se encuentran a menos de 500 metros; los recursos potenciales de las minas de litio de roca dura (Li2O) son de 5,94 millones de toneladas, de las cuales 4,96 millones se encuentran a menos de 500 metros. Los recursos potenciales previstos equivalentes a litio metálico ascienden a 17,6 millones de toneladas (equivalentes a carbonato de litio de 93,67 millones de toneladas), con un índice de recursos confirmados de sólo 25,4%.

En 2015, el consumo total alcanzó las 78.700 toneladas equivalentes de carbonato de litio, lo que supuso 37,2% del total mundial. En ese año, en el consumo de productos de litio de China, las baterías representaron 50,9%, los lubricantes 15,3%, la vitrocerámica 12,8%, los productos farmacéuticos 8,2%, los tintes y adsorbentes 5,1%, los catalizadores 4,2% y otros 3,5%. Si estimamos que la demanda de baterías de iones de litio en China será de 125 GWh en 2020 (frente a los 30 GWh de 2016), que la mitad de las baterías serán ternarias (suponiendo NCM523) y que cada kWh de batería ternaria utilizará 0,52 kg de níquel (calculado como níquel metálico), en 2020 la cantidad de níquel consumido por las baterías de iones de litio para energía alcanzará las 32.000 toneladas, una pequeña fracción del consumo anual de níquel en el país. Por lo tanto, se espera que el crecimiento de la demanda de níquel debido a las baterías de iones de litio no cambie la actual estructura de oferta y demanda de recursos de níquel.

(2) Recursos de níquel

Las empresas de extracción y producción de mineral de níquel suministran principalmente sulfato de níquel para baterías como materia prima a los fabricantes de materiales de electrodos positivos para baterías. Los recursos de níquel se encuentran en minerales lateríticos de níquel. La principal distribución mundial de minerales lateríticos de níquel se encuentra en dos regiones tropicales: Nueva Caledonia y Australia oriental en Oceanía, que se extienden hacia el norte hasta Indonesia y Filipinas en el Sudeste Asiático; y la región del Caribe en América Central. La mayoría de los yacimientos de níquel laterítico de importancia industrial se desarrollan sobre rocas ultramáficas, resultado de una extensa meteorización química a largo plazo en regiones tropicales o subtropicales, compuestas por minerales sueltos similares a la arcilla que contienen hierro, aluminio, silicio y otros óxidos hidratados.

Australia posee las mayores reservas de níquel metálico y básico del mundo, con 37,8% y 19,6% del total mundial, respectivamente, concentrándose las reservas principalmente en Australia, Nueva Caledonia, Rusia, Cuba, Canadá, Brasil, Sudáfrica e Indonesia, que suman 89,5% del total mundial de reservas de níquel metálico y 84,1% del total de reservas de níquel básico. Los recursos de níquel de China son relativamente escasos, con sólo 9,6% de las reservas totales de mineral de níquel del país, lo que significa que no sólo las reservas son relativamente pequeñas, sino que las leyes del mineral de níquel laterítico nacional también son relativamente bajas, lo que se traduce en elevados costes de extracción y falta de competitividad en los minerales de níquel laterítico de China.

En la actualidad, los recursos de níquel en todo el mundo se utilizan principalmente para la producción de acero inoxidable, y a continuación se indican las principales áreas de consumo de los recursos de níquel en China. Si estimamos que la demanda de baterías de iones de litio en China será de 125 GWh en 2020 (frente a los 30 GWh de 2016), que la mitad de las baterías serán ternarias (suponiendo NCM523) y que cada kWh de batería ternaria utilizará 0,52 kg de níquel (calculado como níquel metálico), en 2020 la cantidad de níquel consumida por las baterías de iones de litio para energía alcanzará las 32.000 toneladas, una pequeña fracción del consumo anual de níquel en el país. Por tanto, se espera que el crecimiento de la demanda de níquel debido a las baterías de iones de litio no modifique la actual estructura de oferta y demanda de recursos de níquel.

(3) Recursos de cobalto

Una vez extraído el mineral de cobalto, las empresas de refinado de cobalto producen sulfato de cobalto, que se suministra posteriormente como materia prima para los electrodos positivos de las baterías ternarias. El cobalto está ampliamente distribuido en la Tierra, pero se encuentra en bajas concentraciones. El cobalto se encuentra principalmente asociado al cobre y al níquel, y los recursos independientes de cobalto sólo representan 17%.

Los yacimientos de cobalto puro (yacimientos de arseniuro de cobalto, yacimientos de sulfuro de cobalto y yacimientos de hierro cobalto) son raros en todo el mundo. Los recursos de cobalto se asocian principalmente a yacimientos lateríticos de níquel, yacimientos magmáticos de sulfuro de cobre-níquel y yacimientos de arenisca de cobre. Los yacimientos de níquel laterítico se encuentran principalmente en países como Cuba, Nueva Caledonia y Filipinas, dentro del cinturón ecuatorial; los yacimientos magmáticos de sulfuro de cobre-níquel se encuentran principalmente en países como Rusia, Canadá, Australia y China; los yacimientos de cobre de arenisca se encuentran principalmente en el Congo (Kinshasa) y Zambia. Además, existen cantidades significativas de cobalto en nódulos de manganeso en los fondos oceánicos profundos y en zonas de montes submarinos, principalmente en el Océano Pacífico, que representan recursos potenciales para el futuro. La figura siguiente muestra la distribución mundial de los recursos de cobalto. Las reservas mundiales de cobalto se concentran principalmente en el Congo (Kinshasa), Australia, Cuba, Nueva Caledonia, Zambia y Rusia, y representan aproximadamente 80% del total de las reservas mundiales de cobalto.