IDTechEx pregunta si los ánodos de silicio son la clave para la adopción masiva de vehículos eléctricos
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| En conjunto, la financiación de empresas y empresas emergentes de ánodos
de silicio ha superado los 4.000 millones de dólares desde 2010.
Fuente: IDTechEx
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Maximizar la densidad energética ha sido un área clave de enfoque en
el desarrollo de baterías para vehículos eléctricos. Las
optimizaciones en los diseños de celdas y paquetes de baterías, junto
con el uso de cátodos NMC y NCA con mayor contenido de níquel, han
llevado a una mejora constante en la densidad de energía de las baterías
durante los últimos 10 a 15 años. El límite de densidad de energía
del diseño actual y las iteraciones de materiales se ha maximizado en
gran medida. Sin embargo, está surgiendo en el horizonte un
contendiente prometedor que ofrecerá una mejora radical: el silicio.
IDTechEx pronostica que el mercado de material de ánodo de silicio para
baterías de iones de litio superará los 24 mil millones de dólares para 2034.
Este artículo se basa en el nuevo informe de IDTechEx, " Tecnologías avanzadas de baterías de iones de litio 2024-2034: tecnologías, actores, pronósticos ", que incluye un análisis de los últimos desarrollos en ánodos de silicio.
Beneficios de rendimiento del ánodo de silicio
El
silicio tiene una capacidad teórica de casi 3600 mAh/g (a temperatura
ambiente), lo que ofrece la posibilidad de aumentar significativamente
las densidades de energía reemplazando el grafito, que se utiliza como
material de ánodo en la gran mayoría de las baterías de iones de litio.
Al reemplazar el grafito, que tiene una capacidad de aproximadamente
360 mAh/g, por silicio, se hacen factibles densidades de energía a
nivel de celda superiores a 400 Wh/kg y 1000 Wh/l, con el potencial de
casi duplicar la densidad de energía del estado. células comerciales de
última generación en 2024. Este salto en la densidad energética podría
traducirse en vehículos eléctricos con el doble de autonomía o
dispositivos electrónicos con el doble de tiempo de ejecución.
Pero
los beneficios del silicio van más allá de la capacidad y la densidad
de energía. Muchas empresas de ánodos de silicio informan sobre
capacidades mejoradas de energía y carga rápida, una métrica de
rendimiento cada vez más importante para los vehículos eléctricos, así
como para otras aplicaciones como herramientas eléctricas o dispositivos
de consumo. Además, el voltaje más positivo del silicio en comparación
con el grafito ayuda a reducir el riesgo de revestimiento de litio, lo
que mejora la seguridad de la batería, otra preocupación cada vez más
importante para la industria.
Se intensifican los esfuerzos de comercialización
Actualmente,
los óxidos de silicio sólo se pueden utilizar en porcentajes de peso
relativamente bajos, <10%, pero decenas de empresas, tanto grandes
como pequeñas, están compitiendo para desarrollar materiales avanzados
de ánodos de silicio que puedan permitir mayores porcentajes de silicio
en las baterías. Las composiciones en las que predomina el silicio
siguen siendo el objetivo de varios jugadores. La industria de las
baterías se ha dado cuenta del potencial del silicio. IDTechEx estima
que se han invertido más de 4 mil millones de dólares
en empresas emergentes de ánodos de silicio. Parte de esto ahora está
empezando a destinarse a la expansión de las capacidades de
fabricación, las capacidades y las cadenas de suministro. Es
importante destacar que los materiales y soluciones que están
desarrollando algunas de estas empresas también están comenzando a
calificarse e implementarse. Sila Nano
ha utilizado materiales en el dispositivo portátil Whoop fitness,
Amprius ha implementado baterías en drones y pseudosatélites de gran
altitud (HAPS), mientras que Lightning Motors ofrecerá motocicletas
eléctricas utilizando la tecnología de Enevate. Los fabricantes de
equipos originales de automóviles también han tomado nota de la promesa
de los ánodos de silicio, y empresas como Daimler, Porsche y GM
invierten y se asocian con empresas de ánodos de silicio.
Los desafíos persisten
Sin
embargo, aún quedan desafíos para la comercialización generalizada del
silicio más allá de su uso como aditivo. La importante expansión del
silicio durante el ciclo puede provocar problemas como consumo excesivo
de electrolitos, pulverización de electrodos y pérdida de contacto
eléctrico, de ahí el uso de silicio en porcentajes relativamente bajos
en el ánodo. Se han realizado importantes esfuerzos para superar estos
obstáculos, y los datos disponibles sugieren que se pueden lograr ciclos
de vida de hasta 1000 ciclos, lo que hace que el silicio sea
ampliamente adecuado para los automóviles eléctricos.
Más allá
del ciclo de vida, la vida útil sigue siendo una preocupación, mientras
que en el corto y mediano plazo, los materiales de ánodo de silicio
probablemente seguirán teniendo un precio superior al del grafito en
términos de US$/kWh. Esto puede restringir su implementación a
aplicaciones donde la sensibilidad al precio es menor, como vehículos
eléctricos de alta gama, aplicaciones militares o algunos dispositivos
electrónicos.
Conclusión
En conclusión, los
materiales avanzados de ánodo de silicio son inmensamente prometedores
para mejorar aspectos clave del rendimiento de la batería, pero se deben
abordar desafíos como el ciclo de vida, la vida útil y, lo que es más
importante, el costo para una adopción generalizada. No obstante, el
despliegue de ánodos con un mayor porcentaje de silicio en diversas
aplicaciones parece inminente. La creciente escala y la innovación
continua también brindan optimismo para reducir los costos de los
materiales anódicos a base de silicio, haciéndolos accesibles para
importantes segmentos de vehículos eléctricos del mercado masivo. Para
conocer la cobertura y el análisis de IDTechEx sobre la variedad de
tecnologías de ánodos de silicio, más de 30 actores que desarrollan
materiales y soluciones y los últimos esfuerzos de comercialización,
consulte su informe "Tecnologías avanzadas de baterías de iones de litio
2024-2034: tecnologías, actores, pronósticos".
Para obtener más información sobre este informe, incluidas páginas de muestra descargables, visite www.IDTechEx.com/AdvLithium .
Tecnologías avanzadas de baterías de iones de litio 2024-2034: tecnologías, actores, previsiones
Se prevé que el mercado mundial de
celdas de baterías de iones de litio alcanzará los 380 mil millones de
dólares en 2034, impulsado principalmente por la demanda de automóviles y
vehículos eléctricos con batería. Se requieren mejoras en el
rendimiento y el costo de la batería para garantizar el despliegue
generalizado de vehículos eléctricos y permitir un mayor tiempo de
funcionamiento y funcionalidad de los dispositivos y herramientas
electrónicos, lo que generará una fuerte competencia en el desarrollo de
tecnologías de iones de litio de próxima generación. Este informe
proporciona un análisis en profundidad, tendencias y desarrollos en
materiales y diseños de celdas de iones de litio avanzados y de próxima
generación, incluidos ánodos de silicio, ánodos de metal de litio,
material catódico y desarrollos de síntesis, una introducción a las
baterías de estado sólido, entre otros. áreas de desarrollo. Se
describen los detalles de los actores clave y las empresas emergentes en
cada espacio tecnológico y se proporcionan pronósticos y mercados
direccionables para las acciones de silicio, litio-metal y materiales
catódicos.
Previsión de la demanda de iones de litio. Fuente: IDTechEx.
Históricamente
impulsados por la demanda de dispositivos electrónicos de consumo,
los mercados de vehículos eléctricos y de almacenamiento estacionario se
han vuelto cada vez más importantes. Si bien numerosas opciones de
almacenamiento de energía y baterías están disponibles para el mercado
de almacenamiento de energía estacionario, los requisitos de alta
densidad de energía de los dispositivos electrónicos y portátiles, y de
los automóviles y vehículos eléctricos, garantizan que las baterías de
iones de litio sigan siendo la química de batería dominante. Sin
embargo, todavía se buscan mejoras. Para los dispositivos portátiles y
de consumo, se necesitan tiempos de ejecución más prolongados y
capacidades de carga más rápidas para mantenerse al día con la creciente
potencia informática y ofrecer una mayor funcionalidad. Para el
mercado potencialmente lucrativo de los vehículos eléctricos, una mayor
autonomía, tiempos de carga cortos y, por supuesto, costos y precios más
bajos siguen siendo claves para una adopción generalizada. El mercado
de automóviles eléctricos con batería es, por supuesto, un objetivo
clave para muchos desarrollos tecnológicos de baterías, y ofrece la
oportunidad de abastecer un mercado donde se prevé que la demanda de
baterías crezca más allá de los 2700 GWh para 2030. Sin duda, el
desarrollo de baterías de iones de litio avanzadas y de próxima
generación Las tecnologías serán fundamentales para diversos sectores,
así como para las empresas de baterías que aspiran a tener éxito o
mantener su lugar en el mercado.
Esquemas de diseño de químicas de celdas basadas en litio. Fuente: IDTechEx.
Ánodos Los
nuevos materiales de ánodo ofrecen la posibilidad de mejorar
significativamente el rendimiento de la batería, en particular la
densidad de energía y la capacidad de carga rápida. Dos de los
desarrollos de materiales más interesantes del Li-ion son el desarrollo y
la adopción de ánodos de silicio y ánodos de Li-metal, estos últimos a
menudo, pero no siempre, junto con electrolitos sólidos. El entusiasmo
surge principalmente de la posibilidad de que estos materiales anódicos
mejoren significativamente la densidad de energía, donde son factibles
mejoras del 30-40% con respecto a las celdas de iones de litio de última
generación actuales. Los desarrolladores también destacan las mejoras
en la capacidad de calificación, la seguridad, el perfil ambiental e
incluso el costo. Sin embargo, el paso del uso de óxidos de silicio
como aditivo a porcentajes de peso más altos y el uso de ánodos de metal
de litio han planteado serios problemas para la vida útil y la
longevidad del ciclo de la batería, lo que ha retrasado y limitado la
adopción comercial hasta ahora. Este informe cubre y analiza las
soluciones que se están desarrollando y brinda cobertura de las diversas
empresas que buscan comercializar sus materiales y diseños de ánodos de
alta energía. El informe también cubre materiales de ánodos de alta
tasa basados en óxidos metálicos como los ánodos de LTO y niobio.
Cátodos Si
bien se espera que los nuevos materiales catódicos proporcionen mejoras
con respecto a los actuales y competidores directos, es probable que
sean relativamente pequeños y es poco probable que mejoren
significativamente el rendimiento de las baterías de iones de litio. En
cambio, el desarrollo de cátodos puede ayudar a optimizar y minimizar
el compromiso inherente al despliegue de una química sobre otra. Los
costos de los materiales y las preocupaciones sobre la cadena de
suministro también desempeñan un papel fundamental en el desarrollo de
materiales catódicos de próxima generación. Por ejemplo, las empresas
continúan impulsando el contenido de níquel en los cátodos NMC para
maximizar el rendimiento y reducir la dependencia del cobalto, los
cátodos LMFP ofrecen una mayor densidad de energía que los LFP y al
mismo tiempo mantienen un perfil de costos similar, mientras que los
cátodos ricos en Li-Mn pueden proporcionar densidades de energía
similares a los NMC. materiales al tiempo que reduce el contenido de
cobalto y níquel. El informe de IDTechEx proporciona una evaluación de
los diversos materiales de cátodos de iones de litio de próxima
generación, destacando sus respectivas fortalezas y debilidades y la
propuesta de valor que ofrecen, o podrían ofrecer, para aplicaciones y
mercados específicos.
Diseño de celdas y baterías. Los
avances en el diseño de celdas y paquetes de baterías pueden desempeñar
un papel igualmente importante en las mejoras continuas del
rendimiento. A nivel de celda, la estructura de los electrodos, el
diseño del colector de corriente, los aditivos y formulaciones de
electrolitos y el uso de aditivos como los nanotubos de carbono seguirán
desempeñando un papel en la maximización del rendimiento de los iones
de litio en diversas aplicaciones. A nivel de paquete, los diseños de
celda a paquete se están volviendo cada vez más populares para los
automóviles eléctricos como medio para optimizar la densidad de energía y
están siendo desarrollados por empresas como BYD, CATL y Tesla, entre
otros. Los sistemas y análisis de gestión de baterías más innovadores
también representan una ruta clave para mejorar las baterías, ofreciendo
una de las pocas formas de mejorar las características de rendimiento,
incluida la densidad de energía, la capacidad de velocidad, la vida útil
y la seguridad simultáneamente, una hazaña que es notoriamente difícil
de lograr.
Comercialización El
procesamiento actual de materiales de iones de litio y la fabricación
de células está dominado por Asia y China. Si bien Estados Unidos y
Europa en particular ahora buscan desarrollar y nutrir sus propias
cadenas de suministro de baterías, una ruta para capturar y domesticar
valor podría ser liderar el camino en innovación y desarrollo de
tecnología de próxima generación. En este caso, a Estados Unidos y
Europa les va ligeramente mejor. Si se analizan las empresas de nueva
creación por geografía, como indicador de la innovación, EE. UU. emerge
como líder en tecnología de próxima generación, con la ley de reducción
de la inflación proporcionando un mayor impulso y el DOE también
proporciona financiación a través de la Ley Bipartidista de
Infraestructura a empresas y empresas emergentes. -ups como Sila Nano y
Group14 Technologies. Europa también alberga una creciente industria de
baterías y un panorama de empresas emergentes, aunque es necesario
señalar que el desarrollo en Asia probablemente esté subrepresentado
dada la mayor presencia de los principales fabricantes de baterías y
empresas de materiales. En el informe se presentan los cronogramas y
los planes de producción de varios actores en diferentes plataformas
tecnológicas junto con el análisis del impacto en los costos del uso de
nuevos materiales de iones de litio. El informe se complementa con una
gran cantidad de perfiles de empresas que cubren la participación de las
empresas en una tecnología en particular.
Distribución geográfica de las empresas de puesta en marcha de baterías. Fuente: IDTechEx
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