Como dispositivos centrales de almacenamiento de energía en el actual campo de las nuevas energías, las baterías de litio se utilizan ampliamente en vehículos de nuevas energías, sistemas de almacenamiento de energía, electrónica de consumo y otros campos debido a su alta densidad de energía y su largo ciclo de vida. Entre ellas, las baterías ternarias de litio de níquel-cobalto-manganeso (denominadas baterías de litio NCM) y las baterías de fosfato de hierro y litio (denominadas baterías de litio LFP) son las dos rutas técnicas principales en el mercado. Existen diferencias significativas entre los dos en términos de materiales centrales, rendimiento, control de costos y escenarios de aplicación. Este artículo realizará un análisis comparativo detallado desde múltiples dimensiones.

El desempeño central de unbateríaestá determinada por el material del cátodo. La diferencia fundamental entre las baterías de litio NCM y las baterías de litio LFP radica en la elección del material del cátodo, lo que conlleva directamente una serie de diferencias en el rendimiento posterior.

El material catódico debaterías de litio ncmes un óxido compuesto ternario de níquel-cobalto-manganeso, donde "N", "C" y "M" del nombre corresponden a níquel, cobalto y manganeso respectivamente. Al ajustar la proporción de los tres elementos (como proporciones comunes como NCM523, NCM622, NCM811), se puede lograr una optimización diferenciada del rendimiento de la batería. Un alto contenido de níquel (como el NCM811) puede mejorar significativamente la densidad de energía, pero también presenta mayores requisitos para los procesos de producción y la seguridad. El material del ánodo es principalmente grafito, el electrolito es una mezcla de sales de litio como hexafluorofosfato de litio y disolventes orgánicos, y el separador suele ser una membrana porosa de polietileno o polipropileno.

El material catódico debaterías de litio LFPes el fosfato de hierro y litio (LiFePO₄), que tiene una estructura de olivino con una estabilidad cristalina extremadamente fuerte. Su ánodo también es principalmente de grafito y la selección de electrolito y separador es similar a la de las baterías de litio NCM, pero en algunos escenarios, la fórmula del electrolito se ajustará de acuerdo con los requisitos de seguridad. En comparación con los materiales ternarios de NCM, los materiales de fosfato de hierro y litio no contienen metales preciosos como cobalto y níquel, por lo que sus materias primas están más disponibles. Además, los fuertes enlaces PO en la estructura hacen que sea menos probable que colapse durante la carga y descarga.

Los parámetros de rendimiento son los indicadores centrales para medir la aplicabilidad de las baterías. Los dos tienen diferencias significativas en densidad de energía, seguridad, ciclo de vida, rendimiento a baja temperatura, etc. La comparación específica es la siguiente:

La densidad de energía se refiere a la energía eléctrica que una batería puede almacenar por unidad de masa o volumen, lo que determina directamente la resistencia de los productos terminales (como la autonomía de los vehículos de nueva energía). La estructura en capas del material ternario debaterías de litio ncmfavorece la intercalación / desintercalación de iones de litio, y el aumento del contenido de níquel puede aumentar aún más el almacenamiento de iones de litio, por lo que su densidad de energía es significativamente mayor que la de las baterías de litio LFP. En la actualidad, la densidad de energía del sistema de las baterías de litio NCM producidas en masa puede alcanzar los 180-250 Wh/kg, y los sistemas con alto contenido de níquel (como el NCM811) pueden incluso superar los 300 Wh/kg. La densidad de energía del sistema de las baterías de litio LFP suele estar entre 120 y 180 Wh/kg. Aunque se ha mejorado en los últimos años mediante innovaciones estructurales (como las baterías Blade), sigue siendo inferior al de las baterías de litio NCM.

La seguridad es el principal requisito previo para las aplicaciones de baterías. La diferencia entre los dos surge de la estabilidad química del material del cátodo. El cátodo de fosfato de hierro y litio de las baterías de litio LFP tiene una estructura de olivino estable. Cuando la batería se somete a abusos como extrusión, perforaciones y altas temperaturas, no es fácil descomponerse térmicamente y es más difícil provocar una "fuga térmica". Sin embargo, el material ternario de las baterías de litio NCM tiene poca estabilidad térmica, especialmente los materiales ternarios con alto contenido de níquel, que son fáciles de descomponer y liberar oxígeno a altas temperaturas, reaccionan con el electrolito para liberar mucho calor y luego inducen una fuga térmica, por lo que la seguridad es relativamente baja. Desde la perspectiva de los casos de aplicación práctica, las baterías de litio LFP se utilizan más ampliamente en escenarios con altos requisitos de seguridad, como centrales eléctricas de almacenamiento de energía y vehículos eléctricos de baja velocidad.

La vida útil se refiere al número de ciclos de carga y descarga cuando la capacidad de la batería disminuye al 80% de la capacidad inicial durante el proceso de carga y descarga, lo que está directamente relacionado con el costo de uso y la vida útil de la batería. El material de fosfato de hierro y litio de las baterías de litio LFP tiene una estructura estable y la estructura cristalina cambia poco durante los ciclos de carga y descarga a largo plazo. Su ciclo de vida suele alcanzar entre 2000 y 3000 veces, y algunos productos de alta calidad pueden incluso superar las 5000 veces. Sin embargo, el material ternario de las baterías de litio NCM es propenso al colapso de la estructura en capas y a la disolución de iones metálicos durante los ciclos, por lo que su ciclo de vida es relativamente corto, generalmente de 1500 a 2000 veces. El sistema con alto contenido de níquel tiene un ciclo de vida más corto debido a su estructura más inestable.

El rendimiento a baja temperatura afecta directamente el efecto de uso de la batería en áreas frías, que está relacionado principalmente con la tasa de difusión de iones de litio del material del cátodo y la conductividad del electrolito. El material ternario de las baterías de litio NCM tiene una velocidad de difusión de iones de litio más rápida en entornos de baja temperatura y la fluidez del electrolito a baja temperatura también es mejor. Por lo tanto, en un entorno de baja temperatura de -20 ℃, aún puede mantener una capacidad de producción de más del 70 %. Sin embargo, la resistencia a la difusión de iones de litio del material de fosfato de hierro y litio de las baterías de litio LFP aumenta a bajas temperaturas y la conductividad del electrolito disminuye. En el mismo entorno de baja temperatura, la capacidad de producción suele ser solo del 50% al 60%, lo que debe mejorarse agregando aditivos de baja temperatura o mejorando la estructura del electrodo.

El costo de la batería está determinado principalmente por los componentes centrales, como los materiales del cátodo, los materiales del ánodo y los electrolitos. El material ternario de las baterías de litio NCM contiene metales preciosos como el cobalto y el níquel. Entre ellos, el cobalto es caro y sus recursos están distribuidos de manera desigual (concentrados principalmente en regiones como la República Democrática del Congo), lo que hace que el costo del material catódico represente entre el 40% y el 50% del total, y el costo general de la batería es alto. Sin embargo, el material de fosfato de hierro y litio de las baterías de litio LFP no contiene cobalto ni níquel, y sus materias primas son baratas y abundantes (el hierro y el fósforo tienen reservas suficientes en mi país). El costo de los materiales catódicos representa solo entre el 20% y el 30% del total, y el costo total de la batería es entre un 10% y un 20% menor que el de las baterías de litio NCM, lo que tiene ventajas obvias en escenarios sensibles al costo.

Con base en las diferencias de rendimiento anteriores, las baterías de litio NCM y las baterías de litio LFP han formado un patrón de aplicación diferenciado, adaptándose a las diferentes necesidades de los terminales respectivamente:

Debido a su alta densidad de energía y excelente rendimiento a bajas temperaturas, las baterías de litio NCM son más adecuadas para escenarios con altos requisitos de resistencia y adaptabilidad a bajas temperaturas. Los campos de aplicación principales incluyen: ① Vehículos de pasajeros de nueva energía de gama media a alta, como el Tesla Model 3/Y (algunas versiones), BYD Han EV (algunas versiones), etc., que necesitan lograr una larga resistencia a través de una alta densidad de energía; ② Productos electrónicos de consumo, como ordenadores portátiles, drones, etc., que necesitan almacenar más energía eléctrica en un volumen limitado; ③ Vehículos comerciales de nueva energía en las regiones del norte, que necesitan adaptarse al uso normal en climas fríos.

Basándose en las ventajas de alta seguridad, largo ciclo de vida y bajo costo, las baterías de litio LFP se utilizan principalmente en escenarios sensibles a la seguridad y el costo, que incluyen: ① Sistemas de almacenamiento de energía, como centrales eléctricas de almacenamiento de energía fotovoltaica a gran escala, proyectos de almacenamiento de energía para reducir los picos de la red eléctrica, etc., que deben funcionar de manera estable durante mucho tiempo y evitar riesgos de seguridad; ② Vehículos de pasajeros y comerciales de nueva energía de gama media a baja, como BYD Qin PLUS EV (algunas versiones), vehículos logísticos de nueva energía, etc., que tienen altos requisitos de control de costos; ③ Vehículos eléctricos de dos ruedas, como modelos de alta gama de marcas como Yadea y Aima, que necesitan equilibrar la seguridad y la vida útil.

Las baterías de litio NCM y las baterías de litio LFP no están en una "relación de sustitución" sino en una "relación complementaria". Los dos ocupan diferentes cuotas de mercado basándose en sus ventajas principales de "alta densidad de energía" y "alta seguridad + bajo costo", respectivamente. Desde la perspectiva de las tendencias de desarrollo, la dirección futura de las baterías de litio NCM es "alto contenido de níquel + libre de cobalto", lo que mejora aún más la densidad de energía al aumentar el contenido de níquel y desarrolla materiales ternarios sin cobalto para reducir costos. La dirección de desarrollo de las baterías de litio LFP es "alta densidad de energía + carga rápida", que mejora la densidad de energía a través de materiales de nanocátodos y estructuras de batería mejoradas (como baterías de cuchillas y laminación cuadrada), y optimiza los electrolitos para lograr una mejora del rendimiento de carga rápida. En el futuro, con continuos avances tecnológicos, la brecha de rendimiento entre los dos puede reducirse gradualmente, pero el patrón de aplicación diferenciado seguirá existiendo durante mucho tiempo.