Como principais dispositivos de armazenamento de energia no atual novo campo de energia, as baterias de lítio são amplamente utilizadas em novos veículos de energia, sistemas de armazenamento de energia, eletrônicos de consumo e outros campos devido à sua alta densidade de energia e longo ciclo de vida. Entre elas, baterias ternárias de lítio de níquel-cobalto-manganês (referidas como baterias de lítio NCM) e baterias de fosfato de ferro-lítio (referidas como baterias de lítio LFP) são as duas principais rotas técnicas do mercado. Existem diferenças significativas entre os dois em termos de materiais principais, desempenho, controle de custos e cenários de aplicação. Este artigo conduzirá uma análise comparativa detalhada de múltiplas dimensões.

O desempenho central de umbateriaé determinado pelo seu material catódico. A diferença fundamental entre as baterias de lítio NCM e as baterias de lítio LFP está na escolha do material do cátodo, o que leva diretamente a uma série de diferenças no desempenho subsequente.

O material catódico deBaterias de lítio NCMé um óxido composto ternário de níquel-cobalto-manganês, onde "N", "C" e "M" no nome correspondem a níquel, cobalto e manganês, respectivamente. Ao ajustar a proporção dos três elementos (como proporções comuns como NCM523, NCM622, NCM811), pode ser alcançada uma otimização diferenciada do desempenho da bateria. O alto teor de níquel (como NCM811) pode melhorar significativamente a densidade energética, mas também possui requisitos mais elevados para processos de produção e segurança. O material do ânodo é principalmente grafite, o eletrólito é uma mistura de sais de lítio, como hexafluorofosfato de lítio e solventes orgânicos, e o separador é geralmente uma membrana porosa de polietileno ou polipropileno.

O material catódico deBaterias de lítio LFPé o fosfato de ferro-lítio (LiFePO₄), que possui uma estrutura de olivina com estabilidade cristalina extremamente forte. Seu ânodo também é principalmente de grafite, e a seleção do eletrólito e do separador é semelhante à das baterias de lítio NCM, mas em alguns cenários, a fórmula do eletrólito será ajustada de acordo com os requisitos de segurança. Em comparação com os materiais ternários NCM, os materiais de fosfato de ferro-lítio não contêm metais preciosos, como cobalto e níquel, portanto, suas matérias-primas estão mais amplamente disponíveis. Além disso, as fortes ligações PO na estrutura tornam menos provável o colapso durante a carga e a descarga.

Os parâmetros de desempenho são os principais indicadores para medir a aplicabilidade das baterias. Os dois têm diferenças significativas em densidade de energia, segurança, ciclo de vida, desempenho em baixas temperaturas, etc. A comparação específica é a seguinte:

A densidade de energia refere-se à energia elétrica que uma bateria pode armazenar por unidade de massa ou volume, o que determina diretamente a durabilidade dos produtos terminais (como a gama de veículos de novas energias). A estrutura em camadas do material ternário deBaterias de lítio NCMé propício à intercalação/desintercalação de íons de lítio, e o aumento no teor de níquel pode aumentar ainda mais o armazenamento de íons de lítio, de modo que sua densidade de energia é significativamente maior do que a das baterias de lítio LFP. Atualmente, a densidade de energia do sistema de baterias de lítio NCM produzidas em massa pode atingir 180-250 Wh/kg, e sistemas com alto teor de níquel (como NCM811) podem até exceder 300 Wh/kg. A densidade de energia do sistema das baterias de lítio LFP é geralmente entre 120-180 Wh/kg. Embora tenha sido melhorado nos últimos anos através de inovações estruturais (como baterias de lâmina), ainda é inferior ao das baterias de lítio NCM.

A segurança é o principal pré-requisito para aplicações de bateria. A diferença entre os dois decorre da estabilidade química do material catódico. O cátodo de fosfato de ferro-lítio das baterias de lítio LFP tem uma estrutura de olivina estável. Quando a bateria é submetida a abusos como extrusão, perfuração e alta temperatura, não é fácil decompor-se termicamente e é mais difícil desencadear "fuga térmica". No entanto, o material ternário das baterias de lítio NCM tem baixa estabilidade térmica, especialmente materiais ternários com alto teor de níquel, que são fáceis de decompor e liberar oxigênio em altas temperaturas, reagem com o eletrólito para liberar muito calor e, em seguida, induzem fuga térmica, portanto a segurança é relativamente baixa. Do ponto de vista de casos de aplicação prática, as baterias de lítio LFP são mais amplamente utilizadas em cenários com elevados requisitos de segurança, como centrais elétricas de armazenamento de energia e veículos elétricos de baixa velocidade.

A vida útil do ciclo refere-se ao número de ciclos de carga-descarga quando a capacidade da bateria cai para 80% da capacidade inicial durante o processo de carga-descarga, o que está diretamente relacionado ao custo de uso e à vida útil da bateria. O material de fosfato de ferro-lítio das baterias de lítio LFP tem uma estrutura estável e a estrutura cristalina muda pouco durante ciclos de carga-descarga de longo prazo. Seu ciclo de vida geralmente pode chegar a 2.000-3.000 vezes, e alguns produtos de alta qualidade podem até exceder 5.000 vezes. No entanto, o material ternário das baterias de lítio NCM é propenso ao colapso da estrutura em camadas e à dissolução de íons metálicos durante os ciclos, de modo que seu ciclo de vida é relativamente curto, geralmente 1.500-2.000 vezes. O sistema com alto teor de níquel tem um ciclo de vida mais curto devido à sua estrutura mais instável.

O desempenho em baixas temperaturas afeta diretamente o efeito de uso da bateria em áreas frias, que está principalmente relacionado à taxa de difusão do íon de lítio do material do cátodo e à condutividade do eletrólito. O material ternário das baterias de lítio NCM tem uma taxa de difusão de íons de lítio mais rápida em ambientes de baixa temperatura, e a fluidez do eletrólito em baixa temperatura também é melhor. Portanto, em um ambiente de baixa temperatura de -20°C, ele ainda pode manter uma capacidade de produção superior a 70%. No entanto, a resistência à difusão de íons de lítio do material de fosfato de ferro-lítio das baterias de lítio LFP aumenta em baixas temperaturas e a condutividade do eletrólito diminui. No mesmo ambiente de baixa temperatura, a capacidade de produção é geralmente de apenas 50% -60%, o que precisa ser melhorado adicionando aditivos de baixa temperatura ou melhorando a estrutura do eletrodo.

O custo da bateria é determinado principalmente pelos componentes principais, como materiais catódicos, materiais anódicos e eletrólitos. O material ternário das baterias de lítio NCM contém metais preciosos como cobalto e níquel. Entre eles, o cobalto é caro e os seus recursos estão distribuídos de forma desigual (principalmente concentrados em regiões como a República Democrática do Congo), fazendo com que o custo do material catódico represente 40%-50% do total, e o custo global da bateria seja elevado. No entanto, o material de fosfato de ferro-lítio das baterias de lítio LFP não contém cobalto e níquel, e suas matérias-primas são baratas e abundantes (ferro e fósforo estão em reservas suficientes no meu país). O custo dos materiais catódicos representa apenas 20% -30% do total, e o custo geral da bateria é 10% -20% inferior ao das baterias de lítio NCM, o que apresenta vantagens óbvias em cenários sensíveis ao custo.

Com base nas diferenças de desempenho acima, as baterias de lítio NCM e as baterias de lítio LFP formaram um padrão de aplicação diferenciado, adaptando-se às diferentes necessidades dos terminais, respectivamente:

Devido à sua alta densidade de energia e excelente desempenho em baixas temperaturas, as baterias de lítio NCM são mais adequadas para cenários com altos requisitos de resistência e adaptabilidade a baixas temperaturas. Os principais campos de aplicação incluem: ① Veículos de passageiros de energia nova de médio a alto padrão, como Tesla Modelo 3/Y (algumas versões), BYD Han EV (algumas versões), etc., que precisam alcançar longa durabilidade por meio de alta densidade de energia; ② Produtos eletrônicos de consumo, como laptops, drones, etc., que precisam armazenar mais energia elétrica em volume limitado; ③ Veículos comerciais de nova energia nas regiões norte, que precisam se adaptar ao uso normal em climas frios.

Contando com as vantagens de alta segurança, ciclo de vida longo e baixo custo, as baterias de lítio LFP são usadas principalmente em cenários sensíveis à segurança e ao custo, incluindo: ① Sistemas de armazenamento de energia, como usinas de armazenamento de energia fotovoltaica em grande escala, projetos de armazenamento de energia de redução de pico da rede elétrica, etc., que precisam operar de forma estável por um longo tempo e evitar riscos de segurança; ② Veículos comerciais e de passageiros de nova energia de médio a baixo custo, como BYD Qin PLUS EV (algumas versões), novos veículos de logística de energia, etc., que possuem altos requisitos de controle de custos; ③ Veículos elétricos de duas rodas, como modelos sofisticados de marcas como Yadea e Aima, que precisam equilibrar segurança e vida útil.

As baterias de lítio NCM e as baterias de lítio LFP não estão em uma "relação de substituição", mas em uma "relação complementar". Os dois ocupam quotas de mercado diferentes, dependendo das suas principais vantagens de “alta densidade energética” e “alta segurança + baixo custo”, respectivamente. Do ponto de vista das tendências de desenvolvimento, a direção futura das baterias de lítio NCM é "alto teor de níquel + sem cobalto", o que melhora ainda mais a densidade de energia aumentando o teor de níquel e desenvolve materiais ternários sem cobalto para reduzir custos. A direção de desenvolvimento das baterias de lítio LFP é "alta densidade de energia + carregamento rápido", que melhora a densidade de energia por meio de materiais nanocátodos e estruturas de bateria aprimoradas (como baterias de lâmina e laminação quadrada) e otimiza eletrólitos para obter melhoria de desempenho de carregamento rápido. No futuro, com avanços tecnológicos contínuos, a diferença de desempenho entre os dois poderá diminuir gradualmente, mas o padrão de aplicação diferenciado ainda existirá por muito tempo.