Un confronto di NMC / NCA agli ioni di litio e LFP Batteria
| Jerry Huang
Attualmente, ci sono due tecnologie di batteria tradizionali sul mercato per i veicoli completamente elettrici, la batteria al litio ferro fosfato (LFP) e le batterie al litio NMC/NCA. Questi due tipi di batteria competono in molti campi/scenari applicativi e il campo di concorrenza più difficile è quello dell'industria dei veicoli elettrici, che consuma la più grande quantità di batterie al litio in Cina.
C'è stato a lungo il confronto tra questi due tipi di batterie agli ioni di litio. Il confronto del rapporto costo-efficacia può essere facilmente effettuato confrontando i prezzi e i feedback di mercato dei veicoli elettrici che utilizzano batterie di cui sopra. Ma per le prestazioni della batteria, diamo un'occhiata ad alcuni dettagli della batteria NMC/NCA e della batteria LFP impostando le condizioni, osservandone i dati sperimentali per una migliore comprensione.
Secondo gli esperimenti dei laboratori di batterie, dei produttori di veicoli elettrici e dei produttori di batterie agli ioni di litio, sebbene ogni test possa avere dati leggermente diversi, la conclusione dei loro vantaggi e svantaggi tende ad essere chiara. Ancora più importante, il mercato ha fatto la sua scelta e sta ancora andando avanti.
Densità di energia ---- In base alla tecnologia attuale, la densità di energia della batteria al litio NMC a cella singola commerciale è di circa 230 ~ 250 Wh/kg e la batteria Panasonic NCA arriva a circa 322 Wh/kg; mentre la densità di energia della batteria al litio LFP si aggira sostanzialmente intorno a 130~160 Wh/kg nel 2020, alcune potrebbero avvicinarsi a 190 Wh/kg, ma è molto difficile che superi i 200 Wh/kg (Gotion High-Tech lo fa più alto di quello in laboratorio quest'anno). La batteria NCA/NMC viene applicata principalmente nelle auto che consumano meno energia ea favore di velocità elevate e lungo raggio. In teoria, le auto che utilizzano batterie al litio NCA possono funzionare più lontano di quelle che utilizzano lo stesso numero di batterie LFP; e i veicoli LFP sono preferibilmente scelti come autobus urbani al momento, perché la loro autonomia non è lunga e possono essere ricaricati a breve distanza nelle città, dove è possibile costruire facilmente molte pile di ricarica.
Occupazione dello spazio ---- Scegli BYD se vuoi autobus e Tesla per le auto. Beneficiando di una maggiore densità di energia, una singola cella della batteria NMC/NCA può risparmiare metà dello spazio rispetto a una batteria LFP, che è molto importante per le auto con spazio limitato. Quindi possiamo vederlo nel mercato commerciale, Tesla si concentra sulla batteria NMC/NCA e BYD produce la batteria LFP. Quindi c'è un detto nel mercato cinese dei veicoli elettrici, "Scegli BYD se vuoi autobus e Tesla per le auto". Mentre quest'anno, a marzo 2020, BYD ha annunciato il suo nuovo pacco batteria LFP risparmiando il 50% di spazio rispetto al pacco precedente e ha ottenuto vendite positive con la sua berlina Han EV installata con la batteria Blade. Allo stesso tempo, Tesla ha presentato anche la sua nuova Model 3 alimentata dalla batteria LFP di CATL.
Sicurezza----La cosa più importante di tutte, la ragione per la scelta della batteria LFP per gli autobus urbani è la preoccupazione essenziale della sicurezza. Da quando la Tesla Model S è stata introdotta sul mercato, si sono verificati molti incidenti di incendio con le auto Tesla da parte dei consumatori, sebbene il motivo diretto dell'incendio possa differire. Uno dei motivi è che il pacco batteria di Tesla è composto da più di 7.000 unità di batteria al litio Panasonic / Tesla NCA. Se queste unità o l'intero pacco batteria hanno un cortocircuito interno, possono generare fiamme libere anche di grandi dimensioni, soprattutto in caso di incidente stradale; per fortuna sta migliorando. Mentre il materiale LFP è molto meno probabile che bruci in caso di cortocircuito e la sua resistenza alle alte temperature è molto migliore di quella della batteria al litio NCA/NMC.
Resistenza alle basse e alle alte temperature ---- La batteria al litio ferro fosfato (LFP) ha prestazioni migliori per la sua resistenza alle alte temperature, mentre NCA/NMC è migliore per la sua resistenza alle basse temperature. Permettetemi di introdurre un esempio. A una temperatura di -20℃, la batteria al litio NMC può rilasciare il 70,14% della sua capacità; mentre la batteria al litio ferro fosfato (LFP) può rilasciare solo il 54,94%. Il plateau della tensione di scarica della batteria al litio NMC è molto più alto e inizia prima di quello della batteria LFP a bassa temperatura. Pertanto, la batteria NMC è una scelta migliore per applicazioni a bassa temperatura.
Efficienza di carica ---- L'efficienza di carica della batteria al litio NMC/NCA è superiore a quella della batteria LFP. La ricarica della batteria al litio adotta il metodo di controllo della corrente e della tensione. Cioè, la carica a corrente costante viene applicata per prima, quando la corrente e l'efficienza di carica sono relativamente elevate. Dopo che la batteria al litio ha raggiunto una certa tensione, il caricabatterie passa al secondo stadio di carica a tensione costante, in questo periodo la corrente e l'efficienza di carica sono basse. Per misurare l'efficienza di carica di una batteria al litio, utilizziamo un rapporto tra la capacità di carica a corrente costante e la sua piena capacità, chiamato "rapporto di corrente costante". I dati sperimentali sul rapporto di corrente costante mostrano che c'è poca differenza tra le batterie NMC/NCA e LFP che le caricano a una temperatura inferiore a 10 ℃, ma è abbastanza diverso a una temperatura superiore a quella. Ecco un esempio, quando li carichiamo a 20 ℃, il rapporto di corrente costante della batteria al litio NMC è 52,75%, che è cinque volte quello della batteria al litio ferro fosfato (LFP) (10,08%).
Durata del ciclo ---- La durata del ciclo della batteria al litio ferro fosfato (LFP) è migliore della batteria al litio NMC/NCA. La vita teorica della batteria al litio NMC è di 2000 cicli, ma la sua capacità svanisce rapidamente per mantenere il 60% quando esegue 1000 cicli; anche la più nota batteria Tesla NCA può mantenere solo il 70% della sua capacità dopo 3000 cicli, mentre la batteria al litio ferro fosfato (LFP) rimarrà all'80% dopo 3000 cicli.
Il confronto di cui sopra fornisce un quadro approssimativo dei vantaggi e degli svantaggi della batteria NMC/NCA e della batteria LFP. La batteria al litio LFP è sicura, con lunga durata del ciclo e buona resistenza alle alte temperature; e la batteria al litio NMC/NCA è ad alta densità di energia, leggera, efficiente nella ricarica, con una buona resistenza alle basse temperature. Queste differenze li rendono due scelte importanti nel mercato per svariate applicazioni.
Al giorno d'oggi i produttori di batterie NMC (tipi ricchi di Ni) e NCA scelgono il grado di batteria all'idrossido di litio monoidrato come fonte di litio per il materiale catodico. Anche la produzione di batterie LFP con il metodo idrotermale utilizza l'idrossido di litio, sebbene la maggior parte dei produttori di batterie LFP scelga il carbonato di litio. Ecco un'immagine del consumo di idrossido di litio nel mercato cinese nel 2018, per riferimento. 