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LG CHem NCM vs LFP

El NMC es el material preferible para el cátodo de las baterías a iones de litio

Recibimos muchas preguntas sobre la diferencia entre NMC y LFP, en este articulo científico vamos a dejar las diferencias y nuestra preferencia.

En los últimos meses hemos recibido a menudo preguntas sobre si el NMC es el material most para utilizarse para el catodo de nuestras baterías. Hemos recibido preguntas sobre rendimiento, seguridad y sostenibilidad, a veces resultando en recommendations para usar LFP ( fosfato de hierro y litio)para baterías residenciales y comerciales. En este artículo, nos gustaría explicar por qué NCM es la elección correcta como material de catodo para las batteries LG Energy Solution y por qué las batteries basadas en LFP no deben preferirse a las batteries NCM. Explicaremos por qué nuestra tecnología de baterías NCM es más fuerte, menos pesada, most manejable y más respetuosa con el medio ambiente.

 

Trataremos los temas siguientes:

NCM y LFP 

Una batería de iones de litio consta de cuatro partes principales: cátodo, ánodo, electrolito y separador. El tipo de batería generalmente recibe su nombre de los materiales de sus cátodos, como la batería NCM o la batería LFP. NCM se compone de litio, níquel, cobalto y manganeso, mientras que LFP se compone de litio, ferroso y fosfato.

La tendencia de mercado de las batteries a iones de litio

Gracias a su calidad uniforme y alta densidad de energía, las baterías NCM se han convertido en el componente más utilizado en la industria de las baterías de litio en general. En el mercado mundial de baterías, aquellas de iones de litio están ampliando su capacidad de producción principalmente gracias a la tecnología NCM. Segundo Bloomberg New Energy Finance, la capacidad de producción de la batería NCM ocupa el 69% de la capacidad de producción de la batería de iones de litio.

Li-ion Battery Capacity per Chemistry (Global)

 

Li-ion Battery Capacity per Chemistry (Global)

En la industria de baterías de vehículos eléctricos (EV), a medida que disminuye la tasa de adopción de la batería LFP, la tasa de adopción de la batería NCM aumenta constantemente y, por lo tanto, se espera que la tasa de adopción de la batería NCM aumente del 53 % en 2019. a las 64 % para 2025.

 

Tasa de adopción por Química en el mercado de baterías EV (Global)

Comparación entre NCM vs. LFP

Coeficiente de difusión del litio, movilidad de los electrones

La batería NCM ofrece una potencia y una densidad de energía más elevadas que la batería LFP gracias a su mayor velocidad de difusión del litio y de la movilidad de los electrones. 

Mientras que los iones de litio de NCM pueden moverse en dos direcciones diferentes, los iones de litio de LFP solo pueden moverse en una dirección.

Li-ion Pathway NCM vs LFP

 

Li-ion Pathway NCM vs LFP

En consecuencia, según una revista (publicada en 2011) por académicos del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Michigan, el coeficiente de difusión de litio de NCM es 10 000 veces más rápido que el de LFP; en caso de movilidad de electrones, NCM es 1000 voltios más rápido que LFP.

Cuando la movilidad del litio y los electrones es más rápida, una batería puede alcanzar una mayor potencia y una mayor densidad de energía.

Higroscopicidad

Dado que el LFP absorbe la humedad del aire más fácilmente que el NCM, el primero requiere un control estricto de la humedad durante su proceso de fabricación. No es controlable, el contenido de agua en la batería LFP aumenta, provocando reacciones colaterales durante el proceso de carga-descarga. Estas reacciones secundarias dan como resultado una reducción más rápida del rendimiento de la batería. Además, el agua evita que la batería forme una capa de interfaz de electrolito sólido (SEI) que, una vez más, ayuda a reducir el rendimiento de la batería más rápidamente. En segundo lugar a un artículo publicado en 2013, cuando los electrodos LFP y NCM se exponen a una humedad relativa (HR) del 40 %, el contenido de agua en el electrodo NCM permanece por debajo de 750 ppm, mientras que en el electrodo LFP aumenta a más del doble en una hora. .

Water Update of NCM & LFP Electrodes when they're exposed to 40% RH condition

 

Water Update of NCM & LFP Electrodes when they’re exposed to 40% RH condition

El documento también compara cómo el diferente contenido de agua en una batería afecta la capacidad de la batería. El contenido de agua en la batería está entre 1300 ppm y 1800 ppm (agua del 38%), la capacidad de la batería se reduce a alrededor del 10%. Resumiendo, se debe considerar un aumento en el contenido de agua cuando hay un aumento en la impureza; mayor impureza, mayor resistencia, lo que a su vez aumenta la posibilidad de provocar el hinchamiento de las células (gasificación de electrolitos).

Curva de carga-descarga

Ahora comparemos las curvas de carga-descarga de las baterías NCM y LFP: el estado de carga (SOC) de las baterías NCM varía notablemente con su nivel de voltaje. Además, el nivel del SOC de la batería LFP no necesita ser facilitado más que el nivel de la tensión en la causa de su curva de carga-descarga plana. Por lo tanto, es posible diagnosticar el SOC de la batería NCM con precisión si el SOC de la batería LFP es muy difícil.

 

Charge-discharge curve comparison NCM vs. LFP

Como se muestra en el gráfico anterior, el límite de voltaje para NCM es de aproximadamente 4,2 V entre LFP y aproximadamente 3,5 V de energía más alta que una batería LFP.

Capacidad de descarga, Mantenimiento de la capacidad

Una batería NCM con un cátodo más delgado puede tener la misma capacidad de descarga que una batería LFP con un cátodo más grueso. Además, la batería NCM tiene una mayor capacidad de conservación que la batería LFP durante el mismo número de ciclos.

Según un artículo publicado en 2012, la misma capacidad de descarga de 1,7 mA/cm2 requiere un electrodo 1,5 veces más grueso (77 μm) para baterías LFP que para baterías NCM (50 μm). Esto significa que una batería LFP usa más material de cátodo que una batería NCM para lograr la misma capacidad que la batería. Por tanto, las baterías LFP con más kg de material catódico cargado en su electrodo crean más material para reciclar al final de su vida, provocando un mayor impacto en su entorno.

Al comparar batería NCM y LFP de la misma capacidad de descarga (2,6 mA/cm2) después de 500 ciclos, la batería NCM mantiene un 15% más de capacidad (80%) que la batería LFP (65%).

Otro artículo (publicado en 2014) muestra que las baterías NCM pueden funcionar durante un período de tiempo más largo antes de alcanzar la misma tasa de retención de su capacidad inicial en comparación con las baterías LFP.

El documento muestra que una batería LFP alcanza el 80% de su capacidad inicial a los 377 ciclos, cuando una batería NCM mantiene el 80% de su capacidad inicial después de 455 ciclos. Mientras que una batería NCM mantiene ~75% de su capacidad inicial después de 700 ciclos, una batería LFP alcanza ~20% de su capacidad inicial después de 700 ciclos.

El argumento de algunos fabricantes de LFP de que las baterías LFP tienen una mayor capacidad de almacenamiento que las baterías NCM no se combina con los resultados de los dos trabajos de investigación mencionados anteriormente.

Resistencia

Cuando se supervisa la resistencia de la batería a medida que la recorre, una batería NCM mantiene un nivel de resistencia más bajo que una batería LFP. Una resistencia más baja permite que las baterías operen a su capacidad diseñada con pérdidas más bajas. Segundo artículo (publicado en 2014), la resistencia de la batería LFP aumenta a 3 ohmios inmediatamente después de 500 ciclos, mientras que la resistencia de la batería NCM permanece por debajo de 3 ohmios también después de 1000 ciclos.

La degradación del rendimiento de una batería aumenta considerablemente a medida que aumenta su resistencia y, por lo tanto, una batería NCM funciona mejor que una batería LFP a medida que avanzan los ciclos.

Energía requerida por producto de una batería NCM vs. LFP

Una batería NCM puede requerir más energía durante la producción según el peso. Sin embargo, dado que la capacidad de una batería es la característica relevante, es necesario comparar la energía por kWh: una batería NCM requiere una cantidad de energía muy similar en comparación con una batería LFP durante el proceso de fabricación.

Si observa el documento publicado por los académicos del Laboratorio Nacional de Argonne (publicado en 2015), para producir una batería EV de 28kWh, la batería LFP requiere 100 celdas, mientras que la NCM requiere solo 96 celdas. Como consecuencia, una batería LFP requiere una mayor cantidad de celdas en la batería para producir la misma capacidad que la batería EV que una batería NCM, lo que genera más desperdicio al final de su vida útil.

Los productores de la batería LFP insisten en que una batería LFP requiere menos energía para ser producida que una batería NCM, lo que tiene un menor impacto en su entorno. Sin embargo, al comparar baterías con las mismas capacidades, la energía requerida para producir las baterías LFP y NCM no varía mucho. Queremos destacar que para producir los mismos kWh de batería, LFP requiere más celdas que NCM y por tanto, los fabricantes de LFP producen más residuos para el medio ambiente. Además, dado que LFP está hecho de metal barato, hierro, las empresas de reciclaje son reacias a recuperar y reciclar la batería LFP debido a la baja rentabilidad económica.

 
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Ventajas del uso de tecnologia NMC de LG Energy Solution

Patentes

LG Energy Solution produce batería NCM. LG Energy Solution posee la mayor cantidad de patentes registradas sobre tecnologías de baterías en la industria (mayo de 2019). En general, los investigadores han estudiado mucho la tecnología NCM en comparación con otras tecnologías y se comprende mejor.

Proceso de laminación y apilado vs. devanado

LG Energy Solution utiliza el proceso de producción de laminaciones y apilamiento por batería. El proceso de laminación y apilamiento implicó verticalmente cátodos, ánodos y separador mediante el montaje de una batería. Por otro lado, el proceso de bobinado rota cátodos, ánodos y separadores en forma ovalada para ensamblar una batería. El proceso de laminación y apilamiento puede lograr una mayor carga de electrodos mediante el uso efectivo del espacio (menos espacio muerto en una celda de batería) y una mayor estabilidad dimensional.

Dentro de la pila de electrodos, LG Energy Solution inserta separadores con su tecnología patentada «SRS»: nanopartículas recubiertas en los separadores que brindan una mayor resistencia a las perforaciones.

 
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Seguridad

Una declaración simple como «las baterías NCM son más seguras que las baterías LFP (o viceversa)» no es posible porque el tema de la seguridad de las baterías abarca muchos aspectos, como la calidad de fabricación, la pureza de los materiales, la calidad de los contactos eléctricos, los factores ambientales, la protección de la batería adecuada (BMS), etc. La cuestión de la seguridad no puede reducirse con mucho al material del cátodo. Es por eso que LG Energy Solution ha respondido a la pregunta de manera integral y garantiza la calidad masiva en todos los aspectos operativos y de producción. Los mayores fabricantes de automóviles internacionales han probado la batería LG Energy Solution en las peores condiciones de estrés posibles y han aceptado la batería LG Energy Solution, declarando su seguridad para sus productos. 

La seguridad del producto ESS residencial de LG Energy Solution está verificada a nivel internacional, mediante la sucesión de varios certificados de seguridad.

1) EMC (prueba electromagnética) 

2) IEC 62619 (Seguridad operativa: celda, módulo, sistema) 

3) UL1642 (estándar para batería de litio) 

4) UL1973 (estándar para batería para uso en aplicaciones estacionarias, auxiliar para vehículos y para ferrocarriles eléctricos ligeros) 

5) TUV JIS (estándar japonés para batería ESS) 

6) UN38.3 (Prueba de transporte para baterías de iones de litio)

Abastecimiento responsable

LG Energy Solution monitorea la cadena de valor de las materias primas que utiliza para lograr un abastecimiento responsable. En particular, LG Energy Solution enfatiza la importancia del abastecimiento responsable del cobalto utilizado en su batería NCM.

Primero, LG Energy Solution mantiene transparente su cadena de valor de cobalto. LG Energy Solution supervisa todos los procesos de adquisición de cobalto y realiza una auditoría de terceros a sus proveedores para mejorar la transparencia.

Además, LG Energy Solution también se compromete a reducir el contenido de cobalto en su batería. Hasta ahora ha logrado reducir la porción de peso de cobalto en una batería en un 35%.

Además, LG Energy Solution está trabajando para garantizar que sus proveedores de cobalto implementen políticas de respeto de los trabajadores en las minas. LG Energy Solution se ha asociado con varias ONG para centrarse específicamente en la República Democrática del Congo.

No hay lugar para el trabajo ilegal en nuestra cadena de suministro. Sabemos que existen desafíos reales con la extracción de cobalto, pero el esfuerzo de LG Energy Solution está dirigido a hacer que esta actividad sea económicamente rentable y socialmente sostenible para las comunidades que dependen de esta extracción para sus ingresos.

LG Energy Solution participa activamente en poner fin al trabajo infantil y las violaciones de los derechos humanos en las comunidades mineras.

Los fabricantes de baterías LFP insisten en que el cobalto utilizado en NCM se obtiene de manera inapropiada al explotar los esfuerzos de los niños para extraer cobalto. Sin embargo, LG Energy Solution coopera con terceros como RCI, RCs Global, etc. Supervisar y mejorar la transparencia de la cadena de valor del cobalto y lograr un abastecimiento responsable.

Empresa Green

LG Energy Solution ha instalado 3MWh de sistemas fotovoltaicos en su sitio de fabricación de Ochang, produciendo 4,2 GWh de energía renovable cada año. A través de la generación de energía limpia, LG Energy Solution se compromete a convertirse en una empresa verde.

LG Energy Solution también se ocupa del problema del final de la vida útil de las baterías. Para minimizar el impacto ambiental de nuestro producto, LG Energy Solution se compromete a crear un círculo cerrado cooperando con varias empresas locales de reciclaje.

Al celebrar contratos con empresas de reciclaje seleccionadas, LG Energy Solution garantiza el reciclaje más sostenible diseñado para baterías usadas. Las empresas locales de reciclaje utilizan baterías LG Energy Solution y recuperan níquel, cobalto y manganeso en su proceso de reciclaje. Esto es importante para garantizar un proceso de circuito cerrado de materiales y evitar el desperdicio de materiales raros.

Conclusiones

En conclusión, nos gustaría resumir que la tecnología de baterías NCM tiene ventajas muy significativas y debe verse como una opción principal en el mundo de las baterías recargables. No hay razones justificadas por las que el material de NCM deba excluirse de una selección de materiales preferidos.

  • La tecnología NCM permite la mayor densidad de almacenamiento de energía para baterías recargables.
  • Las baterías industriales NCM tienen un ciclo de vida más largo que otros materiales de cátodo.
  • La energía requerida para producir baterías NCM no requiere mucha más energía que las baterías LFP.
  • El suministro de materias primas para la producción de baterías LG Energy Solution se controla y supervisa cuidadosamente para evitar el uso de materiales de fuentes cuestionables.
  • LG Energy Solution lucha activamente contra el trabajo infantil.
  • A través de relaciones cercanas con empresas de reciclaje, LG Energy Solution busca implementar un proceso de reciclaje de circuito cerrado para sus baterías.

https://www.youtube.com/watch?v=CU0RGPnwYYA
 

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