Por Dra. Xiaoxi He en IDTechEx
La crisis energética y los requisitos de descarbonización aceleran el proceso de búsqueda de soluciones alternativas, y el almacenamiento de energía juega un papel importante en aplicaciones como las aplicaciones de vehículos eléctricos y las energías renovables.
Desde su invención en la década de 1990, las baterías de iones de litio se han vuelto cada vez más populares debido a su tamaño relativamente liviano y compacto, su larga vida útil y su alta densidad de energía.Fundamentalmente, una celda de iones de litio generalmente consta de un ánodo de grafito y un cátodo de óxido en capas recubierto en colectores de corriente y separados por un separador empapado de electrolito líquido orgánico .
Empaquetados en formato de bolsa, prismático o cilíndrico, forman la base de la batería de iones de litio. Su rendimiento comparativamente alto, bajo costo y amplia disponibilidad hacen que las baterías de iones de litio sean una tecnología de almacenamiento de energía preeminente para muchas aplicaciones, desde dispositivos electrónicos hasta vehículos eléctricos (EV) y grandes sistemas estacionarios de almacenamiento de energía.
Como tal, para la mayoría de las aplicaciones, es poco probable que las baterías de iones de litio, de una forma u otra, sean reemplazadas en los próximos diez años. No obstante, se siguen realizando desarrollos e innovaciones en los materiales de iones de litio.
La fabricación, el diseño de celdas, así como el diseño de paquetes y la inversión en la industria de iones de litio continúan a un ritmo acelerado. IDTechEx investiga el tema del almacenamiento de energía desde varios ángulos, materiales, tecnologías de celdas, aplicaciones de destino y cómo lidiar con ellas al final de sus vidas.

Evolución rápida y bien establecida de las baterías de iones de litio de última generación
LFP ha estado recuperando cuota de mercado en vehículos eléctricos desde 2021 debido a su recuperación de cuota de mercado en China en particular. Los materiales con alto contenido de óxido en capas de níquel (NMC/NCA/NCMA) seguirán siendo importantes. Además, los principales fabricantes de cátodos están buscando avanzar hacia 90+% NMC y NCA en un intento por reducir aún más el contenido de cobalto y aumentar la capacidad, aunque solo sea marginalmente.
Siguen existiendo dificultades para garantizar la seguridad y la longevidad de estos materiales. Si bien la reducción del contenido de cobalto puede ayudar a reducir los costos de materiales y limitar la exposición al cobalto de origen potencialmente problemático, un impulso para limitar la dependencia del cobalto y el níquel aumentará la dependencia de China, con la gran mayoría de la producción de LFP controlada por empresas chinas y menos planes para la producción de LFP fuera del país.
IDTechEx pronosticó que el mercado de iones de litio crecerá a más de US$430 mil millones para 2033, impulsado por la demanda de vehículos eléctricos.Dado el rápido aumento en la demanda prevista de baterías de iones de litio, ha habido un crecimiento significativo en la cantidad de gigafábricas planificadas y anunciadas en los últimos dos o tres años. Gran parte de esto ha sido impulsado por fabricantes establecidos como CATL , LG Energy Solution, SK Innovation y Samsung SDI ..
Sin embargo, las empresas emergentes y en etapa inicial también buscan ingresar al mercado, especialmente en Europa y América del Norte, donde existe un impulso para desarrollar la capacidad nacional.
El análisis de IDTechEx muestra que los planes y anuncios actuales para la nueva capacidad de producción de celdas alcanzarán los 3 TWh para 2030. Si bien esto no cumpliría con la demanda prevista, el período relativamente corto necesario para construir nuevas fábricas de producción de celdas da tiempo para inversiones adicionales y expansión en la capacidad de producción de celdas. Esto es necesario para satisfacer la demanda prevista de vehículos eléctricos.
Las baterías de iones de litio basadas en ánodos de grafito y cátodos de óxido en capas (LCO, NMC, NCA) han sido omnipresentes en la electrónica de consumo durante más de una década y han llegado a dominar gran parte de los mercados de almacenamiento de energía estacionaria y de vehículos eléctricos.
El informe de IDTechEx «Mercado de baterías de iones de litio 2023-2033: tecnologías, jugadores, aplicaciones, perspectivas y pronósticos » proporciona análisis e informes sobre componentes clave, incluidos cátodos, ánodos, electrolitos, separadores, colectores de cobre y aditivos. Para cada componente, el informe proporciona un desglose de los desarrollos tecnológicos clave, además de un análisis del mercado a través de un estudio de los principales fabricantes, regiones de producción y planes de expansión.
El informe también ofrece una visión completa del mercado de baterías de iones de litio, los jugadores y las tendencias tecnológicas. Se proporcionan análisis de costos, pronósticos de precios y pronósticos de diez años para la demanda de baterías de iones de litio por volumen (GWh) y valor (US$) y se desglosan por aplicación, tipo de cátodo y tipo de ánodo.
El anhelo de baterías de iones de litio avanzadas y más allá
Las baterías de iones de litio dominan aplicaciones como la electrónica de consumo y los vehículos eléctricos. Sin embargo, a medida que comiencen a alcanzar sus límites de rendimiento y se destaquen los riesgos ambientales y de suministro, las mejoras y alternativas a las baterías de iones de litio serán cada vez más importantes. Li-ion avanzado se refiere a ánodos de silicio y metal de litio, electrolitos sólidos, cátodos con alto contenido de níquel y LNMO, así como varios factores de diseño de celdas.

Dos de los desarrollos de materiales más emocionantes en Li-ion son el desarrollo y la adopción de ánodos de silicio y ánodos de Li-metal, estos últimos a menudo, pero no siempre, junto con electrolitos sólidos. El entusiasmo proviene principalmente de la posibilidad de que estos materiales de ánodo mejoren significativamente la densidad de energía, aunque se buscan mejoras en la capacidad nominal, la seguridad e incluso el costo.
Na-ion ha visto un interés renovado después del anuncio de CATL de su desarrollo de Na-ion. Similares en muchos aspectos a las baterías de iones de litio, las baterías de iones de Na utilizan sodio para funcionar en lugar de Li, como sugiere su nombre. Las baterías de iones de Na generalmente se caracterizan por tener potencias y ciclos de vida ligeramente más altos que las celdas de iones de litio NMC y LFP, pero con densidades de energía gravimétrica ligeramente más bajas. Si bien los iones de Na reducirán la dependencia del litio, sus cátodos aún pueden utilizar cobalto y níquel. Por lo tanto, si se pueden utilizar para reducir la dependencia de estos materiales depende completamente de las químicas específicas del cátodo que se utilicen.
Las baterías de flujo redox almacenan energía en el electrolito, separada del electroquímico, permitiendo así el desacoplamiento de la potencia energética. Este aspecto clave hace que los RFB se adapten bien a las aplicaciones de almacenamiento estacionario, especialmente las aplicaciones de larga duración.
El vanadio es el producto químico más utilizado, con 15-20 empresas que comercializan sus sistemas. Sin embargo, el alto costo del vanadio conduce a altos costos de capital que pueden prohibir su uso generalizado. Sin embargo, se están explorando esquemas como el arrendamiento de electrolitos para tratar de reducir el gasto de capital inicial. Sin embargo, el alto costo del vanadio ha llevado al desarrollo de químicas RFB alternativas que utilizan materiales activos de bajo costo. Como la química a base de hierro que está desarrollando ESS Inc, o incluso las baterías de flujo que pueden utilizar compuestos orgánicos ampliamente disponibles de bajo costo como material activo electrolítico.
El informe de IDTechEx, » Baterías avanzadas de iones de litio y más allá del litio 2022-2032: tecnologías, jugadores, tendencias, mercados «, se centra en las tecnologías de baterías de próxima generación y proporciona un análisis en profundidad. Detalla tendencias y desarrollos en tecnologías de baterías avanzadas y alternativas, incluidos diseños y materiales de celdas de iones de litio, ánodos de silicio, ánodos de metal de litio, azufre de litio, iones de Na y química de baterías de flujo redox, entre otros. Se describen los detalles sobre los jugadores clave y las nuevas empresas en cada tecnología. Se proporcionan pronósticos y mercados direccionables para baterías de silicio, metal de litio, iones de Na, RFB y grandes basadas en Zn.
¿Un futuro sólido?
Las baterías de estado sólido se conocen principalmente como baterías de litio con electrolitos de estado sólido, aunque existen baterías de estado sólido más allá de las tecnologías de iones de litio. Las baterías de estado sólido se presentaron inicialmente al público debido a las muchas propuestas de valor que podían ofrecer. Estos incluyeron una mejor seguridad, una densidad de energía potencialmente más alta debido al cátodo de alto voltaje y al ánodo de alta capacidad que se pueden aplicar, un diseño de celda flexible, un rango de temperatura operativo más amplio, posibilidades de carga rápida, etc.
Las baterías de estado sólido han atraído una gran atención de la academia y la industria, y los jugadores correspondientes han recibido grandes inversiones.Después de años de desarrollo, se han comercializado algunas baterías de estado sólido y hay más en desarrollo. Al mismo tiempo, con la mejora continua de las baterías de iones de litio, hay discusiones sobre qué tecnologías valen los recursos y la inversión. Hay exageraciones en las baterías de estado sólido. Sin embargo, una mayor seguridad, el aumento de la densidad de energía potencial y la simplificación del diseño a nivel del sistema siguen siendo los principales impulsores de las baterías de estado sólido.
Dentro de las baterías de estado sólido, existen varios enfoques tecnológicos. En general, los sistemas de óxido, sulfuro y polímero se han convertido en opciones populares en el desarrollo de próxima generación.
Los electrolitos de sulfuro tienen ventajas de alta conductividad iónica, incluso mejores que los electrolitos líquidos. También tienen una temperatura de procesamiento baja, una amplia ventana de estabilidad electroquímica y más. Muchas características los hacen atractivos y muchos los consideran la mejor opción. Sin embargo, la dificultad de fabricación y el subproducto tóxico sulfuro de hidrógeno generado en el proceso hacen que la comercialización sea relativamente lenta. Los sistemas de polímeros son fáciles de fabricar y están más cerca de la comercialización. Mientras que la temperatura de funcionamiento relativamente alta, el bajo potencial antióxido y la peor estabilidad indican desafíos. Los sistemas de óxido son estables y seguros.

La fabricación de baterías de iones de litio ha estado dominada por el este de Asia, con Japón, China y Corea del Sur jugando un papel importante. Los países de EE. UU. y Europa están compitiendo en la carrera, alejando los valores agregados del este de Asia y construyendo la fabricación de baterías cerca del mercado de aplicaciones.
La selección de nuevos materiales y los cambios en los procedimientos de fabricación muestran una indicación de reorganización de la cadena de suministro de baterías. Tanto desde el punto de vista tecnológico como empresarial, el desarrollo de una batería de estado sólido se ha convertido en parte de la estrategia de baterías de próxima generación. Se ha convertido en un juego global con interés regional y apoyo gubernamental. Las oportunidades estarán disponibles con nuevos materiales, componentes, sistemas, métodos de fabricación y conocimientos técnicos.
Hay muchas preguntas en torno a las baterías de estado sólido, desde la evaluación comparativa y el análisis tecnológico, la estimación y los pronósticos del mercado, el seguimiento y la evaluación de la actividad de los jugadores, hasta el establecimiento y la seguridad de la cadena de suministro. Es importante comprender la ciencia y el negocio detrás de esto para tomar las decisiones estratégicas correctas.
Mayor énfasis en el reciclaje de baterías de iones de litio
El reciclaje ofrece una solución parcial a los problemas de sostenibilidad y cadena de suministro que enfrenta la industria de iones de litio al proporcionar un grado de circularidad. Los materiales de las baterías desechadas y al final de su vida útil se pueden extraer y refinar para reutilizarlos en la fabricación de celdas y baterías. Esto puede tener varios impactos beneficiosos. Puede diversificar los suministros de materiales, lo que ayuda a reducir la dependencia de un solo país o región. Desde el punto de vista medioambiental, se espera que el reciclaje de iones de litio, especialmente a través de rutas hidrometalúrgicas o de reciclaje directo, reduzca los requisitos energéticos totales para producir una celda en comparación con el uso de materiales vírgenes.
Otras emisiones, incluidas SO x , NO x y partículas, así como CO 2 ,también se espera que sean más bajos al usar material reciclado en lugar de la extracción primaria. Las capacidades locales de reciclaje y refinación, como las que comienzan a desarrollarse en Europa y EE. UU., también pueden reducir la distancia recorrida por los materiales, reduciendo aún más el perfil de emisiones de las baterías de iones de litio.
Actualmente, se reciclan principalmente metales de las baterías de iones de litio y los costos de los procesos aún son altos. Sin embargo, las regulaciones y políticas están empujando en esta dirección. Con la creciente escala de la producción de baterías de iones de litio, se esperan más actividades de reciclaje en el futuro.

¿Qué se espera más allá del mercado de vehículos eléctricos?
A pesar de la indudable importancia del mercado de vehículos eléctricos para la industria de iones de litio, se pronostica que los sistemas estacionarios de almacenamiento de energía serán el mercado de más rápido crecimiento para las baterías de iones de litio. Esto se debe al impulso continuo para adoptar niveles cada vez mayores de fuentes de energía renovables variables, como la energía solar fotovoltaica y la eólica.
Si bien se pronostica que el crecimiento de la demanda de iones de litio para dispositivos electrónicos crecerá a un ritmo mucho más lento que el almacenamiento estacionario o los vehículos eléctricos, el precio más alto de las celdas y baterías para dispositivos electrónicos significa que sigue estando disponible un valor de mercado considerable en estas aplicaciones.
Por lo tanto, las nuevas tecnologías pueden abrirse camino en el mercado a través de estas aplicaciones primero, con mayores márgenes en oferta junto con ciclos de productos más cortos y, a menudo, requisitos de rendimiento menos exigentes en comparación con los vehículos eléctricos.
Alternativa de hidrógeno a las baterías
2022 ha impulsado el desarrollo de la llamada ‘economía del hidrógeno’. Los planes de la Unión Europea, los EE. UU., la estrategia RePowerEU y la Ley de Reducción de la Inflación buscan aumentar significativamente la producción y el consumo de hidrógeno limpio durante la próxima década. Esto se suma a las ambiciosas estrategias de hidrógeno de países como Japón y Corea del Sur. Ahora se espera que se gaste una cantidad considerable de fondos públicos en el desarrollo de sistemas de producción de hidrógeno verde y azul, infraestructura para almacenamiento y distribución, y fomento del uso de hidrógeno.
Si la financiación, los créditos y las medidas proporcionadas por estas regiones pueden o no conducir a la producción y el uso de hidrógeno verde, rentable y a largo plazo depende de varios factores. Sin embargo, el centro de esto es la tecnología de electrólisis del agua, de la cual existen tres categorías generales. Estos incluyen electrolizadores de agua alcalina (AEL), membrana electrolítica de polímero o membrana de intercambio de protones electrolizadores (PEMEL) y electrolizadores de óxido sólido (SOEL). AEL constituye el sistema más desarrollado que se ha utilizado industrialmente durante alrededor de 100 años. Los SOEL representan la tecnología más joven relativamente temprano en su viaje de desarrollo comercial, con PEMEL en algún punto intermedio.
Cada uno tiene su propio conjunto de ventajas y desventajas. AEL y PEMEL constituyen la mayor parte del mercado, pero la mayor eficiencia de las SOEL y su menor uso de materiales críticos son características que pueden volverse cada vez más importantes en el futuro.
La Dra. Xiaoxi He es directora de investigación en IDTechEx. Desde que se unió en 2014, ha estado realizando exploración y evaluación comparativa de tecnología, realizando estudios y análisis de mercado, brindando evaluación y evaluación de jugadores y ofreciendo información y opiniones comerciales sobre tecnologías emergentes
Xiaoxi obtuvo su doctorado en el Laboratorio Cavendish, Departamento de Física de la Universidad de Cambridge. Antes de eso, completó su maestría en materiales avanzados en la Universidad de Ulm (Alemania) y su licenciatura en física en la Universidad de Shandong (China). Xiaoxi es autor de varias publicaciones en revistas líderes revisadas por pares. Habla chino (mandarín) e inglés.