لماذا يمكن للصين أن تهيمن على إنتاج بطاريات الليثيوم أيون؟

هل ليثيوم أيون هي البطارية المثالية؟

لسنوات عديدة، كان النيكل والكادميوم هو البطارية الوحيدة المناسبة للمعدات المحمولة من الاتصالات اللاسلكية إلى الحوسبة المتنقلة. ظهر هيدريد معدن النيكل وأيون الليثيوم في أوائل التسعينيات، وتنافسا بشدة للحصول على قبول العملاء. اليوم، يعتبر ليثيوم أيون كيمياء البطاريات الأسرع نموًا والأكثر واعدة.

العالم أصبح مكهربا بشكل متزايد. ولا يقتصر الأمر على قيام البلدان النامية بزيادة توفير الكهرباء لسكانها فحسب، بل إن كهربة البنية التحتية الحالية لوسائل النقل تسير بوتيرة سريعة. وبحلول عام 2040، من المتوقع أن يتم تشغيل أكثر من نصف السيارات على الطرق بالكهرباء.

تاريخ موجز للبطاريات

لقد كانت البطاريات جزءًا من حياتنا اليومية لفترة طويلة. تم اختراع أول بطارية حقيقية في العالم عام 1800 على يد الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا. يمثل الاختراع إنجازًا ملحوظًا، ولكن منذ ذلك الوقت لم يكن هناك سوى عدد قليل من الابتكارات المهمة.

الأولى كانت بطارية الرصاص الحمضية، والتي تم اختراعها في عام 1859. وكانت هذه أول بطارية قابلة لإعادة الشحن ولا تزال البطارية الأكثر شيوعًا المستخدمة لبدء تشغيل محركات الاحتراق الداخلي اليوم.

كانت هناك بعض التصاميم المبتكرة للبطاريات في القرنين الماضيين، ولكن لم يتم اختراع شيء يغير قواعد اللعبة إلا في عام 1980. كان ذلك عندما أدت الاختراقات في جامعة أكسفورد وجامعة ستانفورد إلى تطوير بطارية أيون الليثيوم. قامت شركة سوني بتسويق أول بطارية ليثيوم أيون في عام 1991.

ما الذي يميز الليثيوم؟

الليثيوم معدن خاص بعدة طرق. إنها خفيفة وناعمة، ناعمة جدًا لدرجة أنه يمكن قطعها بسكين المطبخ، وكثافتها منخفضة جدًا لدرجة أنها تطفو على الماء. كما أنه صلب عند نطاق واسع من درجات الحرارة، مع واحدة من أقل نقاط الانصهار بين جميع المعادن ونقطة غليان عالية.

مثل زميله من الفلزات القلوية، الصوديوم، يتفاعل الليثيوم مع الماء في شكل مبهرج. يشكل مزيج Li وH2O هيدروكسيد الليثيوم والهيدروجين، والذي ينفجر عادةً في لهب أحمر.

هناك جوانب كثيرة ل بطارية ليثيوم أيون السلامة في جميع عمليات التصميم، بما في ذلك هيكل البطارية الآمن والمواد الخام الآمنة ووظائف الحماية وشهادات السلامة. عندما أجريت مقابلة مع China Electronics News، قال السيد Su Jinran، نائب كبير المهندسين، إن سلامة المنتج بدأت في تصميم المنتج، وبالتالي فإن اختيار مواد القطب الكهربائي والفواصل والإلكتروليتات المناسبة هو الأولوية الأولى لتصميم البطارية الآمن. بالنسبة لمواد الأنود للبطارية، فإن المواد الثلاثية والليثيوم المنغنيز وفوسفات حديد الليثيوم، والتي تم استخدامها على نطاق واسع في تصميم البطارية وحققت أداءً مُرضيًا، تعد أكثر أمانًا من كوبالتات الليثيوم التقليدية وليثيوم النيكل.

تحظى بطاريات الليثيوم أيون بشعبية كبيرة لأنها تتمتع بعدد من المزايا المهمة مقارنة بالتقنيات المنافسة:

● وهي بشكل عام أخف بكثير من الأنواع الأخرى من البطاريات القابلة لإعادة الشحن من نفس الحجم. أقطاب بطارية الليثيوم أيون مصنوعة من الليثيوم والكربون خفيف الوزن. يعد الليثيوم أيضًا عنصرًا شديد التفاعل، مما يعني أنه يمكن تخزين الكثير من الطاقة في روابطه الذرية. وهذا يُترجم إلى كثافة طاقة عالية جدًا لبطاريات الليثيوم أيون. فيما يلي طريقة للحصول على منظور حول كثافة الطاقة. يمكن لبطارية ليثيوم أيون نموذجية تخزين 150 واط/ساعة من الكهرباء في كيلوغرام واحد من البطارية. يمكن لحزمة بطارية NiMH (هيدريد معدن النيكل) أن تخزن ربما 100 واط/ساعة لكل كيلوغرام، على الرغم من أن 60 إلى 70 واط/ساعة قد يكون أكثر نموذجية. يمكن لبطارية الرصاص الحمضية تخزين 25 واط ساعة فقط لكل كيلوغرام. وباستخدام تكنولوجيا حمض الرصاص، يستغرق الأمر 6 كيلوغرامات لتخزين نفس كمية الطاقة التي يمكن لبطارية ليثيوم أيون سعة 1 كيلوغرام التعامل معها. هذا فرق كبير [المصدر: Everything2.com ].

● إنهم يحملون مسؤوليتهم. تفقد حزمة بطارية الليثيوم أيون حوالي 5 بالمائة فقط من شحنتها شهريًا، مقارنة بخسارة 20 بالمائة شهريًا لبطاريات NiMH.

● ليس لها أي تأثير على الذاكرة، مما يعني أنك لا تحتاج إلى تفريغها بالكامل قبل إعادة الشحن، كما هو الحال مع بعض كيميائيات البطارية الأخرى.

● يمكن لبطاريات الليثيوم أيون التعامل مع مئات دورات الشحن/التفريغ.

● هذا لا يعني أن بطاريات الليثيوم أيون لا تشوبها شائبة. لديهم بعض العيوب أيضًا:

● تبدأ في التدهور بمجرد مغادرة المصنع. سوف تدوم لمدة سنتين أو ثلاث سنوات فقط من تاريخ الصنع سواء كنت تستخدمها أم لا.

● فهي حساسة للغاية لدرجات الحرارة المرتفعة. تتسبب الحرارة في تحلل حزم بطاريات الليثيوم أيون بشكل أسرع بكثير من المعتاد.

● إذا قمت بتفريغ بطارية الليثيوم أيون بالكامل، فإنها ستتلف.

● يجب أن تحتوي حزمة بطارية الليثيوم أيون على كمبيوتر داخلي لإدارة البطارية. وهذا يجعلها أكثر تكلفة مما هي عليه بالفعل.

● هناك احتمال ضئيل أنه إذا تعطلت مجموعة بطارية الليثيوم أيون، فسوف تشتعل فيها النيران.

وضع المعايير على أساس الابتكار

نظرًا للتعقيد في آلية سلامة بطاريات الليثيوم أيون، وخاصة التأثير على السلامة بعد إعادة استخدام البطاريات، فإن عملية فهم سلامة بطاريات الليثيوم أيون ووضع معاييرها يجب أن تكون تدريجية وتقدمية. وينبغي أيضًا النظر في تطوير وتطبيق تقنيات التحكم الخارجية. اقترح سو ذلك كإعداد بطارية ليثيوم أيون تعد معايير السلامة مهمة فنية للغاية، ويجب على كل من المتخصصين في وضع المعايير من هيئات توحيد البطاريات والمتخصصين الفنيين من صناعة البطاريات والمستخدمين ومجالات التحكم الإلكترونية المشاركة في العملية، بما في ذلك أعمال التحقق التجريبية.

وقال أحد كبار المهندسين من معهد توحيد الإلكترونيات الصيني، السيد صن تشوانهاو، إن بطاريات الليثيوم أيون يمكن تقسيمها حاليًا إلى أنواع طاقة وأنواع طاقة. وبما أن هذين المنتجين لديهما اختلافات في المواد وهياكل التصميم، فإن طرق الاختبار والمتطلبات الخاصة بهما تختلف، حتى في ظل نفس ظروف السلامة. وتنتمي ما تسمى بالبطاريات المحمولة إلى نوع الطاقة، بما في ذلك بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات الرقمية وكاميرات الفيديو، في حين أن بطارية نوع الطاقة مخصصة للأدوات الكهربائية والدراجات الكهربائية والمركبات الكهربائية.

وفقا لمنظمة الأبحاث بلومبيرج إن إي إف، انخفض متوسط ​​سعر حزمة بطارية الليثيوم أيون من حيث الحجم (الذي يشمل الخلية والحزمة) بنسبة 85٪ في الفترة من 2010 إلى 2018، ليصل إلى متوسط ​​176 دولارا للكيلوواط في الساعة. وتتوقع بلومبرج إن إي إف أيضًا أن الأسعار ستنخفض إلى 94 دولارًا لكل كيلووات في الساعة بحلول عام 2024 و62 دولارًا لكل كيلووات في الساعة بحلول عام 2030.

إن لمنحنى التكلفة المتناقصة هذا آثار مهمة على أي شركة تستخدم البطاريات في خدمتها، أو على الشركات التي تحتاج إلى تخزين الطاقة (على سبيل المثال، منتجي الطاقة). حتى الآن، كانت معظم مبيعات بطاريات الليثيوم أيون في قطاع الإلكترونيات الاستهلاكية، لكن المبيعات المستقبلية ستكون مدفوعة بشكل متزايد بالسيارات الكهربائية.

لا تزال معظم السيارات على الطرق اليوم تستخدم بطارية الرصاص الحمضية ومحرك الاحتراق الداخلي. لكن مبيعات السيارات الكهربائية - التي تعمل ببطاريات الليثيوم أيون - زادت بأكثر من عشرة أضعاف في السنوات الخمس الماضية. علاوة على ذلك، فإن المزيد والمزيد من الدول تفرض حظرًا مستقبليًا على السيارات التي تعتمد على الاحتراق الداخلي، مع توقع أن تهيمن السيارات الكهربائية في نهاية المطاف على وسائل النقل الشخصية.

وهذا يعني بالطبع زيادة الطلب على البطاريات في المستقبل. لدرجة أن شركة صناعة السيارات الكهربائية تيسلا، بالشراكة مع باناسونيك، تستثمر مليارات الدولارات لبناء مصانع جديدة لبطاريات أيون الليثيوم. ومع ذلك، فإن منتجي بطاريات الليثيوم أيون في الولايات المتحدة يتخلفون عن حصة السوق.

يوجد سوق نمو ذو صلة لبطاريات الليثيوم أيون في التطبيقات الصناعية الثقيلة مثل شاحنات الرفع والمكانس وأجهزة غسل الغاز وتطبيقات الدعم الأرضي في المطارات والمركبات الموجهة تلقائيًا (AGVs). وقد تم خدمة هذه التطبيقات المتخصصة تاريخيًا بواسطة بطاريات الرصاص الحمضية ومحركات الاحتراق الداخلي، لكن الاقتصاد تحول بسرعة لصالح بطاريات الليثيوم أيون.

الصين في مقعد السائق

وفقًا لتحليل أجرته BloombergNEF، في أوائل عام 2019، كان هناك 316 جيجاوات/ساعة من القدرة العالمية لتصنيع خلايا الليثيوم. وتمتلك الصين 73% من هذه القدرة، تليها الولايات المتحدة، التي تأتي في المرتبة الثانية بنسبة 12% من القدرة العالمية.

من المتوقع أن تنمو القدرة العالمية بقوة بحلول عام 2025 عندما تتوقع BloombergNEF أن تصل القدرة العالمية إلى 1211 جيجاوات في الساعة. ومن المتوقع أن تنمو القدرة في الولايات المتحدة، ولكن أبطأ من القدرة العالمية. وبالتالي، من المتوقع أن تتقلص حصة الولايات المتحدة في تصنيع خلايا الليثيوم على مستوى العالم.

تحاول شركة Tesla معالجة هذه المشكلة من خلال بناء مصانع البطاريات الخاصة بها، ولكن بالنسبة للشركات التي توفر مجموعة واسعة من هذه الأنواع من البطاريات، مثل OneCharge ومقرها كاليفورنيا، فقد ثبت أن العثور على موردين محليين يمثل تحديًا. لقد تحدثت مؤخرًا مع الرئيس التنفيذي لشركة OneCharge Alex Pisarev، الذي سلط الضوء على التحديات التي واجهتها شركته:

قال لي بيساريف: "سيكون المصنعون الأمريكيون سعداء باستخدام خلايا أيون الليثيوم الأمريكية الصنع، لكن هذا ليس واقعيا اليوم. لذا علينا أن نواصل استيرادها من الصين."

وتتخذ الصين نفس المسار الذي اتبعته في السابق فيما يتعلق بالألواح الشمسية. وبينما اخترع الخلايا الشمسية المهندس الأمريكي راسل أول، تهيمن الصين اليوم على سوق الألواح الشمسية العالمية. تركز الصين الآن على التحكم في الإنتاج العالمي لبطاريات الليثيوم أيون.

فهل من الأفضل أن نحصل على أرخص التقنيات الخضراء الممكنة، حتى لو كان ذلك يعني تسليم التصنيع إلى بلدان أخرى؟ وقد ساعد انخفاض أسعار الألواح الشمسية في إحداث طفرة في نمو الطاقة الشمسية الكهروضوئية الجديدة، وهذا بدوره دعم العديد من الوظائف في الولايات المتحدة. لكن الجزء الأكبر من هذه الألواح مصنوع في الصين. وقد حاولت إدارة ترامب معالجة هذه المشكلة من خلال فرض تعريفات جمركية على الألواح الشمسية المستوردة، لكن هذه التعريفات لقيت معارضة شديدة من قبل معظم صناعة الطاقة الشمسية الأمريكية.

وتتمتع الصين بميزة كبرى تتمثل في العمالة الرخيصة، الأمر الذي سمح لها بالسيطرة على العديد من الصناعات التحويلية. لكن الصين تمتلك أيضًا احتياطيات أكبر من الليثيوم وإنتاجًا أكبر بكثير من الولايات المتحدة. وفي عام 2018، بلغ إنتاج الليثيوم الصيني 8000 طن متري، وهو الثالث بين جميع البلدان وما يقرب من عشرة أضعاف إنتاج الليثيوم في الولايات المتحدة. وبلغت احتياطيات الليثيوم الصينية في عام 2018 مليون طن متري، أي ما يقرب من 30 ضعف مستويات الولايات المتحدة.

الطريق إلى الأمام

تشير الاتجاهات إلى أن بطاريات الليثيوم أيون ستحل بشكل متزايد محل بطاريات الرصاص الحمضية في قطاعي النقل والمعدات الثقيلة. وهذا تطور بالغ الأهمية في عالم يتصارع مع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون القياسية.

ولكن مع هذه الميزة في كل من تكاليف التصنيع وتوافر المواد الخام، هل تستطيع الولايات المتحدة منافسة الصين في السوق العالمية؟ وإذا لم يكن الأمر كذلك، فمع وصول أعداد متزايدة من بطاريات الليثيوم أيون إلى نهاية عمرها الصالح للاستخدام، فهل تتمكن الولايات المتحدة من تطوير سوق تنافسية لليثيوم المعاد تدويره؟

هذه أسئلة مهمة يجب معالجتها.

ومن غير الواضح كيف ستتعامل الصين مع مثل هذه التحديات، ولكن نظرا لسعيها الدؤوب للحصول على الليثيوم، والأهمية الاستراتيجية التي توليها لهذا المعدن، فلا شك أنه سيتم إيجاد الحلول. ومن نواحٍ عديدة، يعد احتضان الصين لوسائل النقل الخضراء أمرًا جيدًا، لأنه يوسع الاهتمام بهذا القطاع ويحفز الدول المنافسة على محاولة اللحاق بالركب من حيث حصتها من إمدادات الليثيوم وسوق البطاريات القابلة لإعادة الشحن. ومكمن الخطر هنا هو أنها لا تزال متخلفة عن الركب، الأمر الذي يجعل الصين تحتكر ما يمكن أن يصبح قريبا قطاع النقل الرئيسي.

اتبعني تغريد أو ينكدين . تحقق من بلدي موقع إلكتروني أو بعض أعمالي الأخرى هنا.