LG CHem NCM vs LFP

Ecco perché l’NCM è il materiale preferibile per il catodo delle batterie agli ioni di litio

Negli ultimi mesi abbiamo spesso ricevuto domande sul fatto che l’NCM ( nichel ossido di cobalto manganese ) sia il materiale migliore per essere utilizzato come materiale per il catodo delle nostre batterie. Abbiamo ricevuto domande su prestazioni, sicurezza e sostenibilità, a volte persino risultando in raccomandazioni per utilizzare piuttosto LFP (litio ferro fosfato) per batterie residenziali e commerciali. In questo articolo, vorremmo spiegare perché l’NCM è la scelta giusta come materiale per il catodo delle batterie LG Chem e perché le batterie basate su LFP non dovrebbero essere preferite rispetto alle batterie NCM. Spiegheremo perché la nostra tecnologia delle batterie NCM è più resistente, meno pesante, migliore da gestire e più rispettosa dell’ambiente.

Affronteremo i seguenti argomenti:

NCM e LFP

Una batteria agli ioni di litio è composta da quattro parti principali: catodo, anodo, elettrolita e separatore.
Il tipo di batteria di solito prende il nome dai materiali del suo catodo come la batteria NCM o la batteria LFP.
L’NCM è composto da litio, nichel, cobalto e manganese mentre LFP è composto da litio, ferro e fosfato.

Tendenza del mercato delle batterie agli ioni di litio

Grazie alla sua qualità uniforme e all’elevata densità energetica, le batterie NCM sono diventate il componente più utilizzato nel settore delle batterieal litio in generale.
Nel mercato mondiale delle batterie, le batterie agli ioni di litio espandono la loro capacità di produzione sopratutto grazie alla tecnologia NCM. Secondo Bloomberg New Energy Finance, la capacità di produzione della batteria NCM occupa il 69% dell’intera capacità di produzione della batterie agli ioni di litio.

Li-ion Battery Capacity per Chemistry (Global)
Li-ion Battery Capacity per Chemistry (Global)

Nel settore delle batterie per veicoli elettrici (EV), mentre il tasso di adozione della batteria LFP diminuisce, il tasso di adozione della batterie NCM aumenta costantemente e, pertanto, si prevede che il tasso di adozione della batteria NCM aumenterà dal 53% nel 2019 al 64% nel 2025.

Adoption rate per Chemistry in EV battery Market (Global)

Confronto tra NCM vs. LFP

Coefficiente di diffusione del litio, mobilità degli elettroni

La batteria NCM offre una potenza e una densità di energia più elevate rispetto alla batteria LFP grazie alla sua maggiore velocità di diffusione del litio e della mobilità degli elettroni.
Mentre gli ioni di litio di NCM possono muoversi in due direzioni diverse, gli ioni di litio di LFP possono muoversi solamente in una direzione.

Li-ion Pathway NCM vs. LFP
Li-ion Pathway NCM vs. LFP

Di conseguenza, secondo una rivista (pubblicata nel 2011) dagli studiosi del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università del Michigan, il coefficiente di diffusione del litio di NCM è 10.000 volte più veloce di quello di LFP; in caso della mobilità degli elettroni, NCM è 1.000 volte più veloce di LFP.

Quando la mobilità del litio e degli elettroni è più veloce, una batteria può raggiungere una potenza più elevata e una maggiore densità di energia.

Igroscopicità

Poiché LFP assorbe l’umidità dall’aria più facilmente di NCM, durante il suo processo di produzione LFP richiede un rigoroso controllo dell’umidità. Se l’umidità non è ben controllata, il contenuto d’acqua nella batteria LFP aumenta, causando reazioni collaterali durante il processo di carica-scarica. Queste reazioni collaterali determinano una riduzione più rapida delle prestazioni della batteria. Inoltre, l’acqua impedisce alla batteria di formare uno strato di interfaccia elettrolitica solida (SEI) che contribuisce ancora una volta a ridurre più rapidamente le prestazioni della batteria.
Secondo un articolo pubblicato nel 2013, quando gli elettrodi LFP e NCM sono esposti al 40% di umidità relativa (RH), il contenuto di acqua nell’elettrodo NCM rimane inferiore a 750 ppm mentre nell’elettrodo LFP aumenta a più di due volte entro un’ora.

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

Il documento confronta anche come il diverso contenuto di acqua in una batteria influenza la capacità della batteria. Quando il contenuto di acqua della batteria aumenta da 1300 ppm a 1800 ppm (aumento del 38%), la capacità della batteria diminuisce di circa il 10%.
In sintesi, un aumento del contenuto di acqua può essere considerato come un aumento dell’impurità; una maggiore impurità porta ad una maggiore resistenza che incremente a sua volta la possibilità di causare un rigonfiamento delle celle (gassificazione degli elettroliti).

Curva di carica-scarica

Confrontiamo ora le curve di carica-scarica delle batterie NCM e LFP: lo stato di carica (SOC) delle batterie NCM varia nettamente con il suo livello di tensione. D’altra parte, il livello SOC della batteria LFP non può essere facilmente distinto dal suo livello di tensione a causa della sua curva di carica-scarica piatta. Di conseguenza, è possibile un’accurata diagnosi dell’SOC per le batterie NCM mentre l’accuratezza dell’SOC per le batterie LFP è molto impegnativa.
L’analisi interna di LG Chem ha rilevato che la stima SOC per la batteria NCM si discosta dell’1 ~ 2% dal suo valore effettivo mentre la batteria LFP si discosta del 10% circa. Se non è possibile un calcolo accurato dell’SOC, la probabilità di far funzionare la batteria al di fuori dell’intervallo desiderato è maggiore, con un conseguente peggioramento delle prestazioni.

Charge-Discharge-Curve comparison NCM vs. LFP

Come mostrato nel grafico sopra, il limite di tensione superiore per NCM è di circa 4,2 V mentre LFP è di circa 3,5 V. Se le capacità delle batterie rimangono costanti, il contenuto energetico viene definito dalla tensione, che trasforma la batteria NCM in una batteria a energia più elevata rispetto a una batteria LFP.

Capacità di scarico, Mantenimento della capacità

Una batteria NCM con un catodo più sottile può avere la stessa capacità di scarica di una batteria LFP con un catodo più spesso. Inoltre, la batteria NCM ha una maggiore capacità di conservazione rispetto alla batteria LFP durante il medesimo numero di cicli.

Sulla base di un articolo pubblicato nel 2012, la stessa capacità di scarica di 1,7 mA / cm2 richiede un elettrodo 1,5 volte più spesso (77μm) per le batterie LFP rispetto alla batteria NCM (50 μm). Ciò significa che una batteria LFP utilizza più materiale catodico rispetto a una batteria NCM per realizzare la stessa capacità della batteria. Pertanto, le batterie LFP con più kg di materiale catodico caricate sul suo elettrodo creano più materiale da riciclare alla fine della sua vita, causando un impatto maggiore sul suo ambiente.
Quando si confrontano batterie NCM e LFP della stessa capacità di scarica (2,6 mA / cm2) dopo 500 cicli, la batteria NCM mantiene il 15% in più di capacità (80%) rispetto alla batteria LFP (65%).

Un altro documento (pubblicato nel 2014) mostra che le batterie NCM possono funzionare per un periodo di tempo più lungo prima di raggiungere lo stesso tasso di conservazione della sua capacità iniziale rispetto alle batterie LFP.
Il documento mostra che una batteria LFP raggiunge l’80% della sua capacità iniziale a 377 cicli, mentre una batteria NCM mantiene l’80% della sua capacità iniziale dopo 455 cicli. Mentre una batteria NCM mantiene ~ 75% della sua capacità iniziale dopo 700 cicli, una batteria LFP raggiunge ~ 20% della sua capacità iniziale dopo 700 cicli.

L’argomentazione dei alcuni produttori LFP secondo cui le batterie LFP hanno una capacità di conservazione maggiore rispetto alle batterie NCM non si allinea ai risultati di due articoli di ricerca sopra menzionati.

Resistenza

Quando si monitora la resistenza della batteria man mano che i cicli procedono, una batteria NCM mantiene un livello di resistenza inferiore rispetto a una batteria LFP. Una resistenza inferiore consente alle batterie di funzionare in base alla capacità progettata a perdite inferiori.
Secondo un articolo (pubblicato nel 20144), la resistenza della batteria LFP aumenta a 3 Ohm subito dopo 500 cicli, mentre la resistenza della batteria NCM rimane inferiore a 3 Ohm anche dopo 1.000 cicli.

Il degrado delle prestazioni di una batteria aumenta notevolmente all’aumentare della sua resistenza e, pertanto, una batteria NCM funziona meglio di una batteria LFP man mano che i cicli procedono.

Energia richiesta per produrre una batteria NCM vs. LFP

Una batteria NCM potrebbe richiedere più energia durante la produzione in base al peso. Tuttavia, poiché la capacità di una batteria è la caratteristica rilevante, è necessario confrontare l’energia per kWh: una batteria NCM richiede una quantità di energia molto simile rispetto a una batteria LFP durante il processo di fabbricazione.

Se guardi il documento pubblicato dagli studiosi dell’Argonne National Laboratory (pubblicato nel 2015), per produrre una batteria EV da 28kWh, la batteria LFP richiede 100 celle mentre NCM richiede solo 96 celle. Di conseguenza, una batteria LFP richiede una maggiore quantità di celle della batteria per produrre la stessa capacità della batteria EV rispetto a una batteria NCM, con conseguente maggiore spreco alla fine della sua durata.

I produttori di batterie LFP insistono sul fatto che una batteria LFP richiede una quantità minore di energia per essere prodotta rispetto a una batteria NCM, esercitando un impatto minore sul suo ambiente. Tuttavia, quando si confrontano batterie con le stesse capacità, l’energia necessaria per produrre le batterie LFP e NCM non varia molto. Vogliamo evidenziare che per produrre gli stessi kWh di batteria, LFP richiede un numero maggiore di celle rispetto a NCM e pertanto, i produttori di LFP producono più rifiuti per l’ambiente. Inoltre, poiché LFP è composto da metallo economico, ferro, le aziende di riciclaggio sono riluttanti a ritirare e riciclare la batteria LFP a causa della bassa redditività economica.

Vantaggi dell’utilizzo della tecnologia NMC di LG Chem

Brevetti

LG Chem produce batterie NCM. LG Chem detiene il maggior numero di brevetti registrati per quanto riguarda le tecnologie delle batterie nel settore (a maggio 2019). In generale, la tecnologia NCM è stata fortemente indagata dai ricercatori rispetto ad altre tecnologie ed è meglio compresa.

Processo di laminazione e accatastamento vs. avvolgimento

LG Chem utilizza il processo di produzione di laminazione e accatastamento per produrre batterie. Il processo di laminazione e accatastamento impila verticalmente catodi, anodi e separatori per assemblare una batteria. D’altra parte, il processo di avvolgimento ruota catodi, anodi e separatori in una forma ovale per assemblare una batteria. Il processo di laminazione e impilamento può realizzare un carico dell’elettrodo più elevato attraverso un utilizzo efficace dello spazio – meno spazio morto in una cella della batteria – e maggiore stabilità dimensionale.
All’interno della pila di elettrodi, LG Chem inserisce separatori con la sua tecnologia proprietaria “SRS” – nanoparticelle rivestite su separatori che garantiscono una maggiore resistenza alla perforazione.

Sicurezza

Una semplice affermazione di “Le batterie NCM sono più sicure delle batterie LFP (o viceversa)” non è possibile perché la questione della sicurezza delle batterie comprende molti aspetti come la qualità di produzione, la purezza dei materiali, la qualità dei contatti elettrici, i fattori ambientali, la protezione della batteria appropriata (BMS) , ecc. La questione della sicurezza di gran lunga non può essere ridotta al materiale catodico. Questo è il motivo per cui LG Chem ha esaminato la questione in modo olistico e garantisce la massima qualità su tutti gli aspetti produttivi e operativi. Le più grandi case automobilistiche internazionali hanno testato le batterie LG Chem nelle peggiori condizioni di stress possibili e hanno accettato le batterie LG Chem come sicure per l’uso nei loro prodotti automobilistici.
La sicurezza del prodotto ESS residenziale di LG Chem è verificata a livello internazionale attraverso il conseguimento di sei diversi certificati di sicurezza.

1) EMC (test elettromagnetico)
2) IEC 62619 (Sicurezza operativa: cella, modulo, sistema)
3) UL1642 (standard per batterie al litio)
4) UL1973 (standard per batterie per l’uso in applicazioni fisse, ausiliarie per veicoli e per ferrovie elettriche leggere)
5) TUV JIS (standard giapponese per batteria ESS)
6) UN38.3 (Test di trasporto per batterie agli ioni di litio) )

Approvvigionamento responsabile

LG Chem monitora la catena del valore delle materie prime che utilizza per realizzare un approvvigionamento responsabile. In particolare, LG Chem sottolinea l’importanza di un approvvigionamento responsabile del cobalto utilizzato nella sua batteria NCM.

In primo luogo, LG Chem mantiene trasparente la catena del valore del suo cobalto. LG Chem monitora tutti i processi di approvvigionamento di cobalto ed esegue un audit di terze parti sui propri fornitori per rafforzare la trasparenza.

Inoltre, LG Chem si impegna anche a ridurre il contenuto di cobalto nella sua batteria. Finora è riuscito a ridurre del 35% la porzione in peso di cobalto in una batteria.

Inoltre, LG Chem sta lavorando per assicurarsi che i propri fornitori di cobalto implementino politiche di rispetto dei lavoratori nelle miniere. LG Chem ha collaborato con diverse ONG per concentrarsi in particolare sulla Repubblica Democratica del Congo.

Non c’è spazio per il lavoro illegale nella nostra catena di fornitura.
Sappiamo che ci sono sfide reali con l’estrazione di cobalto, ma lo sforzo di LG Chem è rivolto affinchè questa attività sia economimente profittevole e socialmente sostenibile dalle comunità che fanno affidamento su questa estrazione per il loro reddito
LG Chem è parte attiva per per porre fine al lavoro minorile e alle violazioni dei diritti umani nelle comunità minerarie.

I produttori di batterie LFP insistono sul fatto che il cobalto usato nell’NCM provenga in modo inappropriato sfruttando le fatiche dei bambini per estrarre il cobalto. Tuttavia, LG Chem collabora con terze parti come RCI, RCs Global ed ecc. Per monitorare e migliorare la trasparenza della catena del valore del cobalto e realizzare un approvvigionamento responsabile.

Azienda Green

LG Chem ha installato 3MWh di impianti fotovoltaici nel suo sito di produzione di Ochang, producendo 4,2 GWh di energia rinnovabile ogni anno. Attraverso la generazione di energia pulita, LG Chem si impegna a diventare un’azienda verde.

LG Chem si occupa anche del problema della fine vita delle batterie. Per ridurre al minimo l’impatto ambientale del nostro prodotto, LG Chem si impegna a creare un cerchio chiuso cooperando con varie società di riciclaggio locali.

Attraverso la stipulazione di contratti con aziende di riciclaggio selezionate, LG Chem assicura il riciclaggio più sostenibile elaborato per le batterie usate. Le aziende di riciclaggio locali utilizzano batterie LG Chem e recuperano nichel, cobalto e manganese nel loro processo di riciclaggio. Ciò è importante per garantire un processo a ciclo chiuso dei materiali ed evitare lo spreco di materiali rari.

Conclusioni

In conclusione, vorremmo riassumere che la tecnologia delle batterie NCM presenta vantaggi molto significativi e dovrebbe essere vista come una scelta privilegiata nel mondo delle batterie ricaricabili. Non vi sono motivi giustificati per cui il materiale NCM debba essere escluso da una selezione di materiali preferiti.

  • La tecnologia NCM consente la massima densità di accumulo di energia per le batterie ricaricabili
  • Le batterie industriali NCM presentano una durata di ciclo superiore rispetto ad altri materiali catodici
  • L’energia richiesta per produrre batterie NCM non richiede una quantità significativamente maggiore di energia rispetto alle batterie LFP.
  • L’approvvigionamento di materie prime per la produzione di batterie LG Chem è accuratamente controllato e monitorato al fine di evitare l’uso di materiali da fonti discutibili. LG Chem sta attivamente combattendo contro il lavoro minorile.
  • Attraverso stretti rapporti con le aziende di riciclaggio, LG Chem sta cercando di realizzare un processo di riciclaggio a circuito chiuso per le sue batterie.
https://www.youtube.com/watch?v=CU0RGPnwYYA
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