Analisi approfondita: dove sta andando la ricarica rapida dei veicoli alimentati da nuove energie dal punto di vista delle batterie?

1. Tendenze di ricarica rapida delle batterie con diversi percorsi tecnici

Quando si utilizzano veicoli elettrici, le questioni che più preoccupano i consumatori sono i tempi di ricarica e l'autonomia di viaggio. Con l'attuale livello tecnologico, è difficile ottenere contemporaneamente tempi di ricarica e autonomia di crociera. Per questo motivo sono state sviluppate due strade per le batterie elettriche. Una è la fazione specifica in termini di energia che si concentra sull'autonomia di crociera, aumentando principalmente l'autonomia di crociera dei veicoli elettrici migliorando costantemente la capacità energetica specifica delle batterie agli ioni di litio. La seconda è la fazione della ricarica rapida che si concentra sulla riduzione dei tempi di ricarica, accorciando principalmente i tempi di ricarica dei veicoli elettrici migliorando le prestazioni di ricarica rapida delle batterie agli ioni di litio. Grazie al progresso tecnologico e alla ricerca approfondita sui materiali delle batterie al litio, le difficoltà incontrate in passato dalla tecnologia di ricarica rapida potrebbero essere risolte una per una.

●Cosa sono i “Commenti Profondi sul Cammino”?

"Commenti e domande approfondite" è la prima rubrica creata da Autohome per gli utenti del settore. È scritto da professionisti di alto livello del settore automobilistico e analizza/rivela esclusivamente i principali eventi del settore. Oltre all'aspetto vivace, vorremmo presentarvi la nostra esplorazione e riflessione sulla natura delle cose, sulla causa e sull'effetto e sulle possibilità future.

Il commentatore di settore di questo numero è Shi Chenxing, un commentatore e investitore indipendente che si concentra su investimenti, fusioni e acquisizioni e gestione post-investimento nella filiera industriale dei veicoli a nuova energia. Attualmente è direttore generale di Xujiang Technology del gruppo Dongxu.

Leggi il testo completo in 30 secondi:

●In base alle opinioni di diverse parti, possiamo definire una velocità di ricarica inferiore a 1,6C come ricarica lenta, da 1,6C a 3C come ricarica lenta/veloce e da 3C in su come ricarica veloce.
●Le batterie a carica rapida con diversi percorsi tecnici presentano vantaggi e svantaggi e sono adatte a diversi nuovi prodotti energetici.
●Le batterie ternarie a ricarica rapida sono adatte alle autovetture, quelle al titanato di litio e altre ancora sono adatte agli autobus, mentre l'ossido di titanio e niobio potrebbe rappresentare una nuova direzione per la ricarica rapida.
●Attualmente, le batterie a ricarica rapida vengono utilizzate principalmente nel settore degli autobus passeggeri. In futuro, la struttura dei consumi delle batterie a ricarica rapida si sposterà verso veicoli utilitari e veicoli logistici speciali.

1. Come capire la ricarica rapida?

Per comprendere la ricarica rapida, non si può sfuggire a un termine professionale: velocità di carica e scarica C, che può essere semplicemente intesa come la velocità di carica e scarica. La velocità di carica e scarica di una batteria agli ioni di litio determina la rapidità con cui possiamo immagazzinare una certa quantità di energia nella batteria o la rapidità con cui possiamo rilasciarla.

Secondo la politica di sussidi per i veicoli a energia nuova del 2018, quelli con una velocità di ricarica inferiore a 3C sono classificati come autobus elettrici puri non a ricarica rapida, mentre quelli con una velocità di ricarica superiore a 3C (inclusi) sono classificati come autobus elettrici puri a ricarica rapida. Tuttavia, il sussidio per la ricarica rapida si applica solo ai nuovi autobus energetici e non esistono standard per le autovetture e i veicoli logistici.

Secondo la definizione del settore e CATL, la ricarica rapida dei veicoli elettrici si riferisce a un metodo di ricarica con una corrente di carica superiore a 1,6C, il che significa che il tempo di ricarica dallo 0% all'80% è inferiore a 30 minuti. Sulla base delle opinioni di diverse parti, l'autore propone che una velocità di carica inferiore a 1,6C sia una carica lenta, una velocità compresa tra 1,6C e 3C sia una carica lenta e veloce e una velocità pari o superiore a 3C sia una carica veloce. La maggior parte delle auto elettriche per passeggeri può raggiungere la "piccola ricarica rapida", mentre le velocità di ricarica degli autobus a ricarica rapida sono concentrate principalmente in 3C-5C.

Se paragoniamo figurativamente la batteria agli ioni di litio a una sedia a dondolo, le due estremità della sedia a dondolo sono i due poli della batteria e gli ioni di litio sono come atleti eccellenti che corrono avanti e indietro tra le due estremità della sedia a dondolo. Durante la carica, gli ioni di litio vengono generati sull'elettrodo positivo della batteria e, attraverso l'elettrolita, si spostano verso l'elettrodo negativo. Il carbonio utilizzato come elettrodo negativo ha una struttura a strati e presenta numerosi micropori in cui gli ioni di litio che raggiungono l'elettrodo negativo possono inglobarsi. Maggiore è il numero di ioni di litio incorporati, maggiore è la capacità di carica.

Durante la ricarica rapida, gli ioni di litio devono essere accelerati e incorporati istantaneamente nell'elettrodo negativo. Ciò rappresenta una grande sfida per la capacità dell'elettrodo negativo di accettare rapidamente gli ioni di litio. Le batterie con sistemi chimici ordinari producono sottoprodotti all'elettrodo negativo durante la carica rapida, influenzando il ciclo e la stabilità della batteria. Si può dire che la densità di energia e la densità di potenza sono due aspetti reciprocamente esclusivi della stessa batteria.

In genere si persegue un'elevata densità energetica, che si tratti di orientamento politico nazionale o di configurazione tecnologica aziendale. Quando la densità energetica della batteria è sufficientemente elevata e l'auto è caricata con energia sufficiente a evitare la cosiddetta "ansia da autonomia", la richiesta di ricarica rapida sarà ridotta. Tuttavia, se il costo non verrà ridotto, sarà difficile per il mercato accettare una quantità così elevata di elettricità. Pertanto, se riusciamo a sfruttare funzionalità di ricarica comode e un'adeguata autonomia di guida, tenendo sotto controllo i costi della batteria, possiamo alleviare notevolmente l'ansia degli utenti e la ricarica rapida avrà il suo valore.

2. Prospettive applicative della ricarica rapida delle batterie con diversi percorsi tecnici

La velocità di ricarica è strettamente correlata alla tecnologia complessiva e ai requisiti di progettazione delle batterie, delle stazioni di ricarica, dei veicoli elettrici, delle reti elettriche, ecc., tra i quali il fattore che influenza maggiormente è ancora la batteria. Discutiamo in modo specifico le tendenze applicative dei diversi tipi di batterie di alimentazione nella direzione della tecnologia di ricarica rapida. Quasi tutti i materiali degli elettrodi positivi possono essere utilizzati per realizzare batterie a carica rapida, ma la loro applicabilità e i loro vantaggi e svantaggi variano.

1. Le batterie ternarie a ricarica rapida sono più adatte alle auto elettriche

Le batterie ternarie sono più apprezzate perché hanno una maggiore densità energetica. Il materiale in sé ha un'eccellente conduttività, ma l'attività di reazione è troppo elevata, il che rappresenta una sfida maggiore per la sicurezza della ricarica rapida.

Tra le aziende rappresentative del sistema di ricarica rapida delle batterie ternarie figurano CATL, BYD, ecc. CATL ha sviluppato le tecnologie "superconducting electronic grid" e "fast ion ring", che possono raggiungere una carica SOC dal 5% all'85% in 15 minuti, con una densità energetica di 190 Wh/kg e un ciclo di vita di oltre 2.500 volte. I principali campi di applicazione sono le automobili e si prevede che la produzione in serie avrà inizio entro il 2018.

La cella ad alta energia 3.0, lanciata di recente da BYD a maggio di quest'anno, ha una densità energetica di quasi 250 Wh/kg, grazie all'introduzione di materiali per elettrodi negativi a base di silicio, materiali per elettrodi positivi ad alto contenuto di nichel ed elettroliti appositamente sviluppati, consentendo un'autonomia di guida ultra-lunga di 500 chilometri. Progettando una strategia di ricarica, è possibile ridurre in modo efficace i tempi di ricarica e migliorarne l'efficienza. In modalità di emergenza estrema, una ricarica di 10 minuti può garantire un'autonomia di 60 chilometri.

In base alle abitudini di utilizzo dei veicoli a carburante, per ottenere una ricarica completa entro 10-20 minuti, la velocità di ricarica deve essere almeno compresa tra 3 e 6 °C. Attualmente, la maggior parte delle autovetture elettriche presenti sul mercato può essere caricata completamente all'80% in un lasso di tempo compreso tra mezz'ora e un'ora, il che rappresenta un notevole miglioramento rispetto al precedente tempo di ricarica di due o tre ore. In futuro si prevede che la compressione sarà ulteriormente ridotta fino a raggiungere i 20 minuti.

2. La ricarica rapida al litio ferro fosfato è disponibile sia per veicoli passeggeri che commerciali

Il litio ferro fosfato non presenta alcun vantaggio intrinseco nel campo della ricarica rapida. Dal punto di vista dei materiali, la conduttività intrinseca dei materiali al litio ferro fosfato è relativamente bassa, pari solo all'uno percento di quella dei materiali ternari. La conduttività dei materiali al litio ferro fosfato deve essere ottimizzata per soddisfare le esigenze di ricarica rapida. Tuttavia, il costo del materiale fosfato di ferro e litio è relativamente basso. In combinazione con un background tecnico maturo e con prestazioni stabili del prodotto, le prospettive di applicazione sono più ampie. Tra le aziende rappresentative figurano CATL, Watma, ecc.

Limitato dal valore limite estremo della densità energetica teorica, in futuro il litio ferro fosfato non avrà molto spazio in termini di densità energetica. Tuttavia, per i veicoli commerciali come autobus, veicoli logistici e veicoli speciali che hanno già adottato il sistema al litio-ferro-fosfato, un aumento della densità energetica non è necessario e la ricarica rapida sta dimostrando sempre più la sua importanza.

2. Stato del mercato e prospettive dei prodotti di ricarica rapida

3. Le batterie al litio manganato sono adatte per gli autobus ibridi plug-in

Le batterie al litio-ossido di manganese presentano le seguenti caratteristiche: buone prestazioni in termini di potenza, velocità di scarica, basse temperature e alta frequenza di tensione. Inoltre, con l'impennata dei prezzi delle materie prime a monte dei materiali ternari, il vantaggio in termini di costi dell'ossido di litio e manganese sta gradualmente diventando evidente. Tuttavia, c'è ancora spazio per miglioramenti nella densità energetica, nelle prestazioni ad alta temperatura, ecc. Negli ultimi anni, la quota di batterie al litio e ossido di manganese a ricarica rapida nel campo degli autobus ibridi plug-in è aumentata in modo significativo, con aziende rappresentative tra cui CITIC Guoan Mengguli, Yipeng New Energy e Microvast Power.

Tuttavia, le prestazioni del ciclo delle batterie all'ossido di litio e manganese sono scarse in condizioni di temperatura elevata. Le prestazioni ad alta temperatura delle batterie all'ossido di litio e manganese possono essere migliorate mediante il drogaggio dell'elettrodo positivo, ma il materiale modificato all'ossido di litio e manganese non è più l'"ossido di litio e manganese originale". I "materiali multicompositi" sono comunemente utilizzati nell'industria. L'elettrodo positivo utilizza un sistema misto di materiali ternari e ossido di litio e manganese, mentre l'elettrodo negativo utilizza carbonio composito poroso per migliorare ulteriormente le prestazioni di ricarica rapida, ma è ancora necessario concentrarsi sulla sicurezza e migliorarla costantemente.

4. La batteria al litio titanato a carica rapida è adatta per autobus puramente elettrici

Le batterie al litio titanato prendono il nome dal materiale dei loro elettrodi negativi. L'elettrodo positivo utilizza materiali ternari. Zhuhai Yinlong, Microvast Power e Tianjin Jiewei sono aziende tipiche. In termini di prestazioni, le batterie al litio titanato hanno eccellenti prestazioni a bassa temperatura, buone prestazioni di sicurezza e riciclaggio e anche la loro velocità di prestazioni come batterie a ricarica rapida è stata riconosciuta dal settore. Tuttavia, al momento il titanato di litio presenta due problemi importanti: innanzitutto, la densità energetica è relativamente bassa. Sotto la pressione delle politiche e dei mercati che richiedono un continuo miglioramento della densità energetica, l'attuale quota di mercato del titanato di litio nell'intero mercato delle batterie elettriche è relativamente bassa. In secondo luogo, a causa dell'elevato costo dei materiali metallici di piccole dimensioni come titanio, nichel e cobalto, il costo delle batterie al litio titanato è notevolmente più elevato rispetto ad altri sistemi.

Le batterie al litio titanato sono significativamente superiori alle altre batterie a ricarica rapida in termini di ciclo di vita. Ciò è dovuto alle caratteristiche del materiale stesso, ovvero alla proprietà di "deformazione zero". Tuttavia, gli svantaggi sono evidenti. La sua densità energetica è bassa, pari a circa la metà di quella del sistema ternario. Inoltre, il prezzo è relativamente alto e attualmente viene utilizzato soprattutto negli autobus a ricarica rapida. In futuro sarà urgente trovare materiali per elettrodi positivi a tensione più elevata ed elettroliti corrispondenti per risolvere questo difetto.

5. Nuova direzione della ricarica rapida: materiale dell'elettrodo negativo in ossido di titanio e niobio

L'ossido di titanio e niobio è sviluppato a partire dal titanato di litio. Il suo vantaggio principale è che, rispetto alla capacità teorica del titanato di litio pari a 175 mAh/g, la capacità teorica dell'ossido di titanio e niobio è di circa 280 mAh/g.

Nell'ottobre 2017, Toshiba ha annunciato ufficialmente di aver sviluppato con successo una nuova generazione di batterie agli ioni di litio per autoveicoli, la cui commercializzazione è prevista per il 2019. La batteria utilizza materiale in ossido di titanio e niobio, che rappresenta un progresso dirompente rispetto alle attuali tecnologie ternarie, litio ferro fosfato e altre. La nuova batteria presenta i vantaggi di un'elevata densità energetica e di una rapida efficienza di ricarica. Bastano solo 6 minuti per ricaricarsi al 90% della carica e si possono percorrere 320 chilometri. Attualmente, per caricare una batteria al litio all'80% ci vogliono in media 30 minuti.

Inoltre, il concetto di "batteria al grafene" è sempre stato molto popolare, ma all'interno del settore ci sono anche delle controversie. Nelle applicazioni delle batterie al litio, il grafene viene utilizzato principalmente come materiale attivo dell'elettrodo negativo e additivo conduttivo. Per quanto riguarda la sola capacità di ricarica rapida, l'uso del grafene come agente conduttivo o per rivestire materiali al litio ferro fosfato/litio ternario può garantire effetti di ricarica rapida migliori. Tuttavia, considerando indicatori quali il costo complessivo e la difficoltà del processo, resta comunque una sfida molto impegnativa.

3. Prospettive di mercato dei prodotti di ricarica rapida

Grazie all'elevata densità energetica, alla ricarica rapida e al prezzo contenuto, questa è la batteria di alimentazione ideale che gli utenti attendono con più ansia. Tuttavia, "non si può avere la botte piena e la moglie ubriaca". Nel sistema di batterie agli ioni di litio esistente, i cinque indicatori più importanti delle batterie di potenza, quali prestazioni di velocità, densità energetica, durata, sicurezza e prezzo, sono fissati in un grafico radar relativamente stabile. Se un indicatore migliora, gli altri andranno relativamente persi.

Attualmente, le batterie a ricarica rapida vengono utilizzate principalmente nei nuovi autobus energetici perché sono altamente selettive nelle città e nelle unità target. Ciò significa che le città o le unità con un relativo supporto finanziario tendono a preferire gli autobus a batteria con ricarica rapida. Tuttavia, dal punto di vista del potenziale di sviluppo del mercato, in futuro il tasso di crescita e le dimensioni del mercato delle autovetture e dei veicoli logistici speciali saranno superiori a quelli degli autobus. Pertanto in futuro la struttura dei consumi delle batterie a ricarica rapida si sposterà verso queste due tipologie di veicoli.

Secondo i dati di Battery China, nel 2017 il mio Paese ha prodotto 6.486 autobus a ricarica rapida, con una capacità installata delle batterie pari a 597,52 MWh, pari al 6% del numero totale di nuovi autobus energetici. Tra questi, l'autobus a ricarica rapida ha la velocità di ricarica più elevata, pari a 6,42 °C. La produzione dei modelli 3C-5C è di 4.771 unità e la capacità della batteria installata è di 480,68 MWh; la produzione dei modelli 5C-10C è di 1.715 unità e la capacità della batteria installata è di 116,84 MWh. Attualmente, le velocità di ricarica rapida degli autobus a ricarica rapida sono concentrate principalmente tra 3C e 5C. Per quanto riguarda il tipo di batteria, nel 2017 il materiale utilizzato per le batterie degli autobus a ricarica rapida era principalmente il titanato di litio, con una capacità installata di 571,54 Mwh, pari al 95,65%.

In base al volume di spedizione di quattro tipi di batterie di potenza nel 2017, 1,54 GWh di ossido di litio e manganese sono utilizzati in parte nei veicoli ibridi plug-in e soddisfano in parte i requisiti di una ricarica rapida e di piccole dimensioni, mentre 16 GWh di veicoli con batteria ternaria soddisfano in parte i requisiti di una ricarica rapida e di piccole dimensioni. Nel complesso, le batterie ternarie a ricarica rapida sono adatte alle autovetture, le batterie al litio ferro fosfato, al litio titanato e altre batterie a ricarica rapida sono adatte agli autobus, le batterie al litio ossido di manganese a ricarica rapida sono adatte ai veicoli ibridi plug-in e l'ossido di titanio e niobio potrebbe rappresentare una nuova direzione per la ricarica rapida.

Vincitore del Qingyun Plan di Toutiao e del Bai+ Plan di Baijiahao, del Baidu Digital Author of the Year 2019, del Baijiahao's Most Popular Author in the Technology Field, del Sogou Technology and Culture Author 2019 e del Baijiahao Quarterly Influential Creator 2021, ha vinto numerosi premi, tra cui il Sohu Best Industry Media Person 2013, il China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, il Guangmang Experience Award 2015, il China New Media Entrepreneurship Competition Finals 2015 e il Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.