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Sommario
La rinascita delle batterie al litio ferro fosfato: un ritorno alla Fenice
Batteria al litio ferro fosfato: si riferisce a una batteria agli ioni di litio che utilizza il litio ferro fosfato (LiFePO4) come materiale catodico.
Ha anche un nome più lungo, chiamato fosfato di ferro e litio batteria agli ioni di litio, che deriva dal suo processo di carica e scarica.
Quando la batteria al litio ferro fosfato viene caricata, gli ioni di litio presenti nel catodo migrano verso l'anodo di grafite attraverso il separatore polimerico; durante la scarica, gli ioni di litio migrano dall'anodo attraverso il separatore e tornano al catodo.
Le batterie al litio ferro fosfato sono particolarmente adatte alle applicazioni di potenza e riconosciute a livello internazionale come batterie ecologiche, atossiche e non inquinanti, e sono ampiamente apprezzate ed eccellenti nel campo delle batterie agli ioni di litio.
Con l'elevazione della politica del doppio carbonio a livello strategico, anche le batterie al litio ferro fosfato hanno registrato una forte crescita nel settore dell'accumulo di energia.
Nel 2021, la spedizione globale di sistemi di accumulo di energia batterie al litio è stata di 70 GWh, con un aumento di 1591 TP3T, di cui oltre 501 TP3T sono stati spediti tramite la tecnologia al litio ferro fosfato. Nel 2021, la spedizione di batterie al litio per l'accumulo di energia in Cina è stata di 48 GWh, di cui circa 98,51 TP3T sono stati spediti tramite la tecnologia al litio ferro fosfato.
1. Storia delle batterie al litio ferro fosfato
Prestazioni, sicurezza e costo rappresentano il "triangolo impossibile" del settore delle batterie. È difficile ottenere contemporaneamente prestazioni superiori, elevata sicurezza e costi contenuti.
Questa “relazione triangolare” caratterizza lo sviluppo delle batterie al litio e rende anche il percorso delle batterie al litio ferro fosfato un po’ accidentato.
Le batterie al litio si dividono principalmente in cobaltato di litio (LCO), manganato di litio (LMO), fosfato di ferro e litio (LFP), materiali ternari ossido di litio nichel cobalto manganese (NCM) e alluminato di litio nichel cobalto (NCA) in base ai diversi materiali del catodo.
Tra queste, le batterie al litio cobaltato e al litio manganato sono rispettivamente limitate dal costo e dalle prestazioni, mentre le batterie ternarie al litio nichel cobalto manganese sfruttano sinergicamente i materiali al litio cobaltato, al litio nichelato e al litio manganato, puntando su una maggiore densità energetica e una maggiore autonomia per distinguersi e diventare le rappresentanti della "fazione delle prestazioni".
Al contrario, le batterie al litio ferro fosfato hanno una densità energetica relativamente più bassa e una minore resistenza alle basse temperature, ma presentano i vantaggi di un costo contenuto, un'elevata sicurezza e una maggiore durata del ciclo, diventando così rappresentative della "fazione costo-prestazioni".
1.1 Progressi delle batterie al litio ferro fosfato da 10 anni in Cina
Dal 2009 il Paese ha adottato politiche di sussidi per promuovere lo sviluppo dell'intero settore e la spedizione di batterie al litio ferro fosfato e batterie ternarie è aumentata in modo significativo.
A partire dal 2016, con l'entrata in una fase strategica dello sviluppo di veicoli a nuova energia in Cina, il requisito relativo alla densità energetica dei sistemi di batterie negli standard di valutazione dei sussidi per i veicoli a nuova energia ha continuato ad aumentare, concentrandosi su elevata densità energetica e lunga autonomia. Ciò ha portato il mercato verso batterie ternarie con prestazioni intrinsecamente migliori.
A giugno 2019, la quota di installazioni di batterie ternarie in Cina aveva raggiunto oltre 70% delle installazioni totali, detenendo un vantaggio assoluto, mentre le batterie al litio ferro fosfato avevano una quota di sole 27%.
Tuttavia, il periodo favorevole per le batterie ternarie non durò a lungo. Ad agosto 2022, la quota di installazioni di batterie al litio-ferro-fosfato in Cina aveva raggiunto le 621 tonnellate di litio-ferro-fosfato (TP3T) sul totale delle installazioni, mentre la quota di batterie ternarie era scesa a 381 tonnellate di litio-ferro-fosfato (TP3T).
1.2 Analisi del mercato delle batterie al litio ferro fosfato
- Calo dei sussidi politici: dopo il 2019, i sussidi locali sono stati cancellati nel settore delle autovetture, con un calo complessivo di circa 60%-67% e un piano di abbandono totale entro la fine del 2022.
- Ottimizzazione delle prestazioni dal lato dell'offerta: l'ottimizzazione degli schemi di progettazione delle celle delle batterie di grandi dimensioni e delle strutture di sistema ha aumentato efficacemente la densità energetica delle batterie al litio-ferro-fosfato. I veicoli di nuova generazione dotati di batterie al litio-ferro-fosfato possono raggiungere un'autonomia di oltre 500 km, il che soddisfa sostanzialmente le esigenze del pendolarismo urbano e degli spostamenti a breve distanza.
- Sicurezza al centro della domanda: quando l'autonomia è garantita, l'attenzione dei clienti si sposta gradualmente dal miglioramento estremo delle prestazioni a una maggiore sicurezza, e il vantaggio marginale delle batterie ternarie rispetto alle batterie al litio ferro fosfato risulta notevolmente indebolito.
Attualmente, nel campo dell'energia, la concorrenza tra batterie ternarie e batterie al litio-ferro-fosfato è chiara: le batterie ternarie hanno voce in capitolo nel mercato delle auto di fascia alta ad alte prestazioni e lunga autonomia, mentre le batterie al litio-ferro-fosfato hanno preso piede nel mercato delle auto di fascia medio-bassa e continuano a crescere con l'ottimizzazione della struttura del sistema.
2. Commercializzazione delle batterie al litio ferro fosfato
La scacchiera di batterie al litio ferro fosfato si estende dalle risorse minerali ai separatori e agli elettroliti, fino alla produzione delle batterie, il tutto interconnesso.
In termini di costi di produzione, la maggior parte delle materie prime nelle batterie al litio ferro fosfato è costituita da materiali catodici (26%), seguiti da materiali anodici (14%), separatori (11%), elettroliti (10%) e infine lamina di rame (6%).
Tuttavia, se si considera l'intensità di investimento per GW, quella dei materiali catodici e dei fogli di rame è la più elevata, rispettivamente pari a 90 milioni e 55 milioni, il che indica che questi due collegamenti sono operazioni ad alto impiego di risorse e che l'espansione della capacità richiede notevoli investimenti di capitale.
I produttori di materiali catodici in fosfato di ferro e litio sono per lo più grandi aziende chimiche con riserve di miniere di litio, miniere di fosfato, ecc. La concentrazione del settore è elevata, ma negli ultimi anni ha mostrato una tendenza al ribasso; gli ostacoli nel settore dei fogli di rame risiedono principalmente nella formulazione di fogli additivi e nella messa a punto delle apparecchiature, e l'attuale struttura del settore è relativamente dispersa.
In confronto, separatori, elettroliti e materiali anodici rappresentano collegamenti migliori, con un'intensità di investimento inferiore, una migliore concentrazione del settore e un maggiore potere di determinazione dei prezzi.
I materiali catodici sono fattori decisivi per le prestazioni chimiche delle batterie al litio, come la densità energetica e la sicurezza.
Nel costo di preparazione dei materiali catodici in litio ferro fosfato, la quota di fonti di litio è pari a 59,41 TP3T, mentre le fonti di ferro e fosforo combinate rappresentano quasi 701 TP3T dei costi delle materie prime. La futura direzione della riduzione dei costi si concentra sulla riduzione delle perdite di materie prime e sulla ricerca di fonti minerali alternative a basso costo.
Il processo di preparazione del litio ferro fosfato include principalmente metodi in fase solida e in fase liquida. Il metodo in fase solida è semplice e adatto alla produzione su larga scala, mentre il metodo in fase liquida produce prodotti a base di litio ferro fosfato con una migliore consistenza e prestazioni di ciclo, rappresentate da DFNano.
La struttura del mercato dei materiali catodici al litio ferro fosfato è stabile, con una forte concorrenza. I due colossi, Hunan Yueneng e DFNano, rappresentano quasi la metà della quota di mercato, con un CR2 di 45,21% nel 2021.
Considerando l'intero settore dei materiali catodici, la rapida crescita della domanda di batterie al litio ferro fosfato ha spinto anche i materiali catodici al litio ferro fosfato a diventare la soluzione prevalente sul mercato.
Secondo i dati, la produzione totale di materiali catodici nazionali ha raggiunto le 720.200 tonnellate nella prima metà del 2022, con un aumento annuo di 54,61 tonnellate metriche (TP3T). Tra queste, la produzione cumulativa di materiali al litio ferro fosfato è stata di 384.700 tonnellate, con un aumento annuo di 119,11 tonnellate metriche (TP3T), pari a 531 tonnellate metriche (TP3T); la produzione cumulativa di materiali catodici ternari è stata di 263.800 tonnellate, con un aumento annuo di 45,91 tonnellate metriche (TP3T), pari a 371 tonnellate metriche (TP3T).
Allo stesso tempo, i volumi di spedizione di litio ferro fosfato e materiali catodici ternari in Cina hanno raggiunto le 411.000 tonnellate e 280.000 tonnellate nella prima metà del 2022, con aumenti su base annua rispettivamente di 1361 TP3T e 481 TP3T. Il super raddoppio dei volumi di spedizione ha inoltre portato Hunan Yueneng e DFNano al primo e al secondo posto nell'intero settore dei materiali catodici nel 2021.
Come dice il proverbio, "la marea che sale solleva tutte le barche". La stretta relazione tra l'aumento dei prezzi e dei volumi delle materie prime a monte e della produzione di batterie a metà percorso, e lo sviluppo delle applicazioni finali a valle, è evidente. Dopo aver ribaltato la situazione nel settore delle batterie di potenza, le batterie al litio-ferro-fosfato hanno trovato un nuovo mondo.
3. Aprire un nuovo mondo di batterie al litio ferro fosfato
Nel contesto della neutralità carbonica e della realizzazione del 5G, il divario di domanda nel settore dell'accumulo di energia si sta ampliando. L'accumulo di energia al litio è attualmente la tecnologia in più rapida crescita nel nuovo settore dell'accumulo di energia in Cina.
Le caratteristiche economiche e di sicurezza sono fattori importanti per le batterie di accumulo di energia.
I sistemi di energia eolica e solare presentano costi elevati e variabilità ambientale, per cui richiedono batterie di accumulo di energia con durata prolungata, prestazioni stabili, elevata adattabilità ambientale e costi contenuti.
3.1 Caratteristiche delle batterie al litio ferro fosfato
Le batterie al litio ferro fosfato hanno una durata maggiore rispetto alle batterie al piombo-acido e ternarie, con oltre 2000 cicli e una capacità 3-4 volte superiore a quella delle batterie al piombo-acido.
Inoltre, le batterie al litio ferro fosfato mantengono strutture stabili ad alte temperature grazie alla loro struttura olivinica, offrendo sicurezza e stabilità superiori. Offrono un ampio intervallo di temperature di esercizio.
Inoltre, le batterie al litio ferro fosfato non hanno effetto memoria, possono essere caricate secondo necessità e non richiedono la scarica completa prima della ricarica. Sono prive di metalli pesanti tossici, ecologiche e hanno costi di materie prime e manutenzione inferiori.
Nell'edilizia, l'accumulo di energia al litio offre una configurazione di capacità flessibile, minori vincoli di sito e periodi di costruzione più brevi, garantendo rapidi servizi di regolazione per i sistemi energetici.
Le statistiche mostrano che nei primi tre trimestri del 2022 la nuova capacità installata di progetti di accumulo di energia in Cina ha raggiunto i 963,7 GW, con un aumento annuo di 120%, di cui la maggior parte è costituita da progetti di accumulo di litio ferro fosfato.
Gli addetti ai lavori hanno affermato che attualmente i materiali a monte delle celle per batterie al litio-ferro-fosfato sono in difficoltà di approvvigionamento. Il volume giornaliero di spedizioni di sistemi di accumulo di energia dalla linea di produzione supera i 10 GWh, con una domanda giornaliera di oltre 13.000 celle per batterie.
Dopo l'assemblaggio e il collaudo, la maggior parte dei nuovi dispositivi di accumulo di energia al litio ferro fosfato saranno spediti alle centrali eoliche e solari come strutture di accumulo di supporto, migliorando l'efficienza e la stabilità delle centrali elettriche.
Nel settore delle comunicazioni, nell'agosto 2020 il Ministero dell'Industria e delle Tecnologie dell'Informazione ha confermato il ruolo di primo piano delle batterie al litio ferro fosfato nelle applicazioni di accumulo di energia delle stazioni base 5G. Anche molti progetti nazionali di accumulo di energia sul lato potenza utilizzano batterie al litio ferro fosfato.
Nel 2021, in Cina sono state costruite 650.000 nuove stazioni base 5G. Con un consumo energetico di 3.500 W per stazione base e una durata di emergenza richiesta di 4 ore, ogni stazione necessita di 14 kWh di alimentazione di backup. Il mercato dell'accumulo di energia delle stazioni base 5G nel 2021 potrebbe fornire una domanda di 9,1 GWh di batterie al litio-ferro-fosfato.
3.2 Le esigenze della Cina in materia di accumulo di energia
La domanda nazionale di accumulo di energia si concentra principalmente sull'accumulo di energia elettrica e sulle comunicazioni, mentre la domanda estera proviene dall'accumulo domestico. Le ragioni includono:
- Prezzi elevati dell'energia: i paesi europei hanno assistito a un aumento dei prezzi dell'energia, e gli elevati prezzi al dettaglio dell'elettricità, insieme ai sussidi statali, stanno stimolando lo sviluppo del mercato locale dell'accumulo domestico.
- Elevata partecipazione ad attività all'aperto: gli Stati Uniti hanno il più grande mercato di domanda di attività all'aperto, con campeggio, roulotte, computer, illuminazione e fotografia che aumentano la necessità di dispositivi portatili per l'accumulo di energia domestica.
- Preparazione alle emergenze e ai disastri: i prodotti portatili per l'accumulo di energia sono popolari in Giappone e nel 2020 sono stati certificati come dispositivi di sicurezza per la prevenzione dei disastri dalla Japan Disaster Prevention Association, sostituendo gradualmente i tradizionali motori a combustione interna.
3.2 Esigenze di accumulo di energia all'estero
Il boom del mercato estero dell'accumulo di energia offre opportunità alle aziende nazionali produttrici di batterie al litio.
I dati doganali mostrano che nei primi nove mesi dell'anno le esportazioni cumulative di batterie agli ioni di litio della Cina hanno raggiunto $34,911 miliardi, con un aumento annuo di 83,3%, superando il valore totale delle esportazioni di batterie al litio del 2021.
Il mercato estero dell'accumulo di energia è diventato la principale fonte di fatturato per le aziende nazionali di batterie per l'accumulo di energia. Le aziende nazionali di primo livello, rappresentate da CATL e BYD, si sono fatte un nome tra gli integratori e i proprietari di sistemi esteri.
L'accumulo di energia come gioco indipendente sta diventando sempre più grande e
le batterie al litio ferro fosfato potrebbero rivelarsi la chiave per far pendere la bilancia.
4. Conclusion
Sono forze interne, politiche esterne e obiettivi macroeconomici a determinare se un materiale o una tecnologia potrà passare dal laboratorio al mercato e, in ultima analisi, avere successo.
Dalle batterie di potenza all'accumulo di energia, le batterie al litio ferro fosfato hanno superato con successo gli ostacoli della commercializzazione grazie alle loro eccellenti proprietà, alle filiere industriali mature e al vasto potenziale di mercato, diventando la forza principale nel settore delle batterie al litio.
Tuttavia, le batterie al litio ferro fosfato non sono perfette e i loro limiti prestazionali spingono il mercato a ricercare e sperimentare continuamente nuovi materiali migliorati, come il litio ferro fosfato di manganese.
La tecnologia è in continuo progresso e il mercato è in continua evoluzione. Il forte slancio di sviluppo nei settori dell'energia e dell'accumulo di energia spingerà le batterie al litio-ferro-fosfato verso una diffusione più ampia.
