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Jun 01, 2023

Mayor energía y menor costo a través de la innovación de celdas de batería y materiales de paquete de EV, una perspectiva de IDTechEx

Mayor energía y menor costo a través de la celda de la batería EV y el material del paquete

Mayor energía y menor costo a través de la innovación de materiales de paquete y celdas de batería EV, una perspectiva de IDTechEx.

Los vehículos eléctricos (EV) generan demandas materiales que son muy diferentes a las históricamente típicas de los mercados de vehículos con motor de combustión. Con la continua interrupción de la cadena de suministro y la rápida evolución de la tecnología de baterías, los materiales que tendrán demanda en los próximos años variarán significativamente.

IDTechEx acaba de publicar un nuevo informe, "Materiales para celdas y paquetes de baterías de vehículos eléctricos 2023-2033", que profundiza en la química de las baterías, la densidad de energía y la evolución del diseño para determinar la demanda del mercado de 2021-2033 para 27 diferentes materiales en mercados como autos eléctricos, autobuses, camiones, camionetas, vehículos de dos ruedas, vehículos de tres ruedas y microautos.

A pesar de las tendencias hacia una mayor densidad de energía y un menor uso de materiales por vehículo, gracias al rápido crecimiento del mercado de vehículos eléctricos, la demanda de materiales para baterías de vehículos eléctricos se multiplicará por 12, y el valor de mercado exhibirá una CAGR del 26 % entre 2033 y 2021.

Materiales de celda de batería

La química de la batería continúa evolucionando. El objetivo final siempre ha sido lograr una mayor densidad de energía, pero otros factores, como el costo de la celda y la diversidad de la cadena de suministro, han creado una demanda de productos químicos alternativos fuera del típico NMC (níquel manganeso cobalto).

Los productos químicos de NMC proporcionan la densidad de energía más alta y, para mejorar aún más esto y evitar el uso de cobalto, han hecho la transición a variantes con mayor contenido de níquel, como NMC 811, en comparación con el NMC 111/523 anterior. El cobalto es un material más costoso y tiene un suministro muy restringido geográficamente con prácticas mineras cuestionables; la tendencia a químicas más altas de níquel alivia estas preocupaciones, aunque aumenta la demanda de níquel.

Las baterías que utilizan químicas LFP (fosfato de hierro y litio) casi abandonaron el mercado de vehículos eléctricos en 2018-2019 gracias a su menor densidad de energía que las NMC. Sin embargo, la necesidad de una mayor variedad en el suministro de celdas y la capacidad de reducir costos ha visto un gran resurgimiento en la adopción de LFP, especialmente en los segmentos de mercado de rango bajo a medio.

El impacto en la densidad de energía del uso de LFP se ha visto algo compensado por las mejoras en la eficiencia del empaque. La mayor adopción de LFP mitiga parte de la demanda de materiales como el níquel y el cobalto.

Además de la química del cátodo, también ha habido una evolución en el ánodo. Algunos han estado incorporando pequeños porcentajes de silicio en el ánodo para mejorar la densidad de energía, lo que da como resultado una disminución en la intensidad del grafito en la celda. En el futuro, existe la expectativa de ver la adopción de contenidos de silicio mucho mayores con ánodos predominantemente de silicio ganando interés.

Hay varios otros materiales críticos para el funcionamiento de una celda de batería, como las láminas colectoras, los aglutinantes y más. Incluso con aumentos en la densidad de energía, IDTechEx predice un aumento de 9,4 veces en la demanda anual de materiales que se utilizan en las celdas de las baterías.

Materiales de la batería

Es importante aumentar la densidad de energía de las celdas de la batería, pero la construcción del paquete en su conjunto también es una gran vía para mejorar la densidad de energía de la batería. El mercado ha reducido gradualmente la cantidad de materiales utilizados para empaquetar las celdas, aumentando la relación entre el peso y el volumen del paquete que representan las celdas.

El cambio radical en este sentido es la adopción de diseños de celda a paquete donde se elimina la naturaleza modular a favor de empacar todas las celdas directamente juntas. A pesar de la reducción de materiales que esto provoca, el rápido crecimiento del mercado de vehículos eléctricos significa que muchos de los materiales utilizados en un paquete de baterías tendrán una mayor demanda.

La gestión térmica es crucial para mantener las celdas a una temperatura de funcionamiento óptima y requiere componentes como placas frías y mangueras de refrigerante. Se requieren materiales de interfaz térmica para ayudar en la transferencia de calor entre las celdas y la estructura de enfriamiento.

Evitar que la fuga térmica se propague entre las celdas y fuera del paquete de baterías requiere materiales de protección pasiva contra incendios. La forma en que estos materiales y componentes de gestión térmica se integran se está simplificando, especialmente con la adopción de diseños de celda a paquete, pero seguirán siendo componentes operativos críticos con una mayor demanda.

Una vía clave para ahorrar peso es la adopción de compuestos y polímeros sobre el aluminio y el acero tradicionales. Gran parte de la estructura de la batería está hecha de aluminio, pero muchas han adoptado tapas de carcasa compuestas para reducir el peso y formar formas más complejas.

Hay un impulso hacia las carcasas de baterías de múltiples materiales para combinar los beneficios de los materiales disponibles. Una consideración clave para los gabinetes compuestos o poliméricos es el blindaje EMI y la protección contra incendios; esto puede agregarse más tarde o integrarse en el propio material.

El último informe de IDTechEx, "Materiales para celdas y paquetes de baterías de vehículos eléctricos 2023-2033", pronostica los materiales utilizados en celdas y paquetes, incluidos aluminio, acero, cobre, aluminio, litio, cobalto, níquel, manganeso, electrolito, hierro, fósforo, aglutinantes , carcasas, negro de humo, silicona, separadores, nanotubos de carbono, polímero reforzado con fibra de carbono, polímero reforzado con fibra de vidrio, materiales de interfaz térmica, materiales de protección contra incendios, aislamiento eléctrico, placas frías y mangueras de refrigeración.

Para obtener más información, incluidas páginas de muestra descargables, visite www.IDTechEx.com/EVBattMat.

Próximo seminario web gratuito

Materiales de la batería EV: el futuro de la química celular y la estructura del paquete

El Dr. James Edmondson, analista principal de tecnología de IDTechEx y autor de este artículo, presentará un seminario web gratuito el jueves 8 de junio de 2023: Materiales de baterías para vehículos eléctricos: el futuro de la química celular y la estructura del paquete.

Este seminario web cubrirá:

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