Защо Китай може да доминира производството на литиево-йонни батерии

Литиево-йонната ли е идеалната батерия?

В продължение на много години никел-кадмиевата батерия беше единствената подходяща батерия за преносимо оборудване от безжични комуникации до мобилни компютри.Никел-метал-хидридът и литиево-йонният се появиха в началото на 90-те години на миналия век, борейки се нос в нос, за да спечелите приемането на клиентите.Днес литиево-йонните са най-бързо развиващата се и най-обещаваща химия на батериите.

Светът става все по-електрифициран.Не само, че развиващите се страни увеличават достъпа до електричество за населението си, но и електрификацията на съществуващата транспортна инфраструктура протича с бързи темпове.До 2040 г. се предвижда повече от половината автомобили по пътищата да се задвижват с електричество.

Кратка история на батериите

Батериите са част от ежедневието ни отдавна.Първата истинска батерия в света е изобретена през 1800 г. от италианския физик Алесандро Волта.Изобретението представлява забележителен пробив, но оттогава има само няколко значими нововъведения.

Първата беше оловно-киселинната батерия, изобретена през 1859 г. Това беше първата акумулаторна батерия и все още е най-разпространената батерия, използвана за стартиране на двигатели с вътрешно горене днес.

Имаше някои иновативни дизайни на батерии през последните два века, но чак през 1980 г. беше изобретен истинският начин за промяна на играта.Тогава откритията в Оксфордския и Станфордския университет доведоха до разработването на литиево-йонната батерия.Sony пусна на пазара първата литиево-йонна батерия през 1991 г.

Какво е толкова специалното на лития?

Литият е специален метал в много отношения.Той е лек и мек — толкова мек, че може да се реже с кухненски нож и с толкова ниска плътност, че плува във вода.Освен това е твърд в широк диапазон от температури, с една от най-ниските точки на топене от всички метали и висока точка на кипене.

Подобно на неговия събрат алкален метал, натрий, литият реагира с вода в ефектна форма.Комбинацията от Li и H2O образува литиев хидроксид и водород, които обикновено избухват в червен пламък.

Има много аспекти на Литиево-йонна батерия безопасност през процесите на проектиране, включително безопасна структура на батерията, безопасни суровини, защитни функции и сертификати за безопасност.Когато беше интервюиран от China Electronics News, г-н Су Джинран, заместник главен инженер， каза, че безопасността на продукта започва при проектирането на продукта, следователно изборът на правилните материали за електроди, сепаратори и електролити е първият приоритет за безопасен дизайн на батерията.За анодни материали за батерии трикомпонентните материали, манганов литий и литиево-железен фосфат, които са били широко използвани при проектирането на батерии и са постигнали задоволителна производителност, са по-сигурни от традиционните литиев кобалтат и никел-литий.

Литиево-йонните батерии са популярни, защото имат редица важни предимства пред конкурентните технологии:

● Обикновено са много по-леки от други видове акумулаторни батерии със същия размер.Електродите на литиево-йонната батерия са направени от лек литий и въглерод.Литият също е силно реактивен елемент, което означава, че много енергия може да се съхранява в неговите атомни връзки.Това се изразява в много висока енергийна плътност за литиево-йонните батерии.Ето начин да получите перспектива за енергийната плътност.Типична литиево-йонна батерия може да съхранява 150 вата часа електричество в 1 килограм батерия.Батерийният пакет NiMH (никел-метал хидрид) може да съхранява около 100 вата часа на килограм, въпреки че 60 до 70 вата часа може да са по-типични.Една оловно-киселинна батерия може да съхранява само 25 вата часа на килограм.Използвайки оловно-киселинна технология, са необходими 6 килограма, за да се съхрани същото количество енергия, което може да поеме една литиево-йонна батерия от 1 килограм.Това е огромна разлика [източник: Everything2.com ].

● Те държат своя заряд.Пакетът литиево-йонни батерии губи само около 5 процента от заряда си на месец, в сравнение с 20 процента загуба на месец за NiMH батерии.

● Те нямат ефект на паметта, което означава, че не е необходимо да ги разреждате напълно преди зареждане, както при някои други химикали на батериите.

● Литиево-йонните батерии могат да се справят със стотици цикли на зареждане/разреждане.

● Това не означава, че литиево-йонните батерии са безупречни.Те също имат няколко недостатъка:

● Те започват да се разграждат веднага щом напуснат фабриката.Те ще издържат само две или три години от датата на производство, независимо дали ги използвате или не.

● Те са изключително чувствителни към високи температури.Топлината кара литиево-йонните батерии да се разграждат много по-бързо, отколкото обикновено.

● Ако напълно разредите литиево-йонна батерия, тя се разваля.

● Пакетът литиево-йонни батерии трябва да има вграден компютър за управление на батерията.Това ги прави още по-скъпи, отколкото са.

● Има малък шанс, ако литиево-йонна батерия се повреди, тя да избухне в пламък.

Базирана на иновации стандартна настройка

Поради сложността на механизма за безопасност на литиево-йонните батерии, особено въздействието върху безопасността след повторно използване на батериите, процесът на разбиране на безопасността на литиево-йонните батерии и определянето на нейните стандарти трябва да бъде постепенен и прогресивен.Трябва да се обмисли и разработването и прилагането на техники за външен контрол.Су предложи това като настройка Литиево-йонна батерия Стандартите за безопасност са изключително техническа работа, както професионалистите по определяне на стандарти от органите за стандартизация на батерии, така и техническите специалисти от производството на батерии, потребителите и зоните за електронно управление трябва да участват в процеса, включително в работата по експериментална проверка.

Старши инженер от Китайския институт за стандартизация на електрониката, г-н Sun Chuanhao, каза, че литиево-йонните батерии в момента могат да бъдат разделени на видове енергия и типове мощност.Тъй като тези два продукта имат разлики в материалите и конструктивните структури, техните методи за изпитване и изисквания са различни, дори при еднакви условия на безопасност.Така наречените преносими батерии принадлежат към енергийния тип, включително литиево-йонни батерии, използвани в мобилни телефони, лаптопи, цифрови фотоапарати и видеокамери, докато батерията тип power е за електрически инструменти, електрически велосипеди и електрически превозни средства.

Според изследователската организация BloombergNEF средната цена на пакета литиево-йонна батерия (която включва клетката и пакета) е спаднала с 85% от 2010-18 г., достигайки средно $176/kWh.BloombergNEF допълнително прогнозира, че цените ще паднат до $94/kWh до 2024 г. и $62/kWh до 2030 г.

Тази намаляваща крива на разходите има важни последици за всяка компания, която използва батерии в своите услуги, или за тези, които имат нужда да съхраняват енергия (напр. производители на енергия).Към днешна дата повечето продажби на литиево-йонни батерии са били в сектора на потребителската електроника, но бъдещите продажби ще се движат все повече от електрическите автомобили.

Повечето автомобили по пътищата днес все още използват оловно-киселинна батерия и двигател с вътрешно горене.Но продажбите на електрически превозни средства - захранвани от литиево-йонни батерии - са се увеличили повече от десет пъти през последните пет години.Освен това все повече и повече държави определят бъдещи забрани за автомобили, базирани на вътрешно горене, с очакването, че електрическите превозни средства в крайна сметка ще доминират в личния транспорт.

Това, разбира се, означава много по-голямо бъдещо търсене на батерии.Толкова много, че производителят на електрически превозни средства Tesla, в партньорство с Panasonic, инвестира милиарди долари в изграждането на нови фабрики за литиево-йонни батерии.Въпреки това американските производители на литиево-йонни батерии изостават в пазарния дял.

Свързан растежен пазар за литиево-йонни батерии е в тежки промишлени приложения като повдигачи, машини за метане и скрубери, наземни приложения за поддръжка на летищата и автоматично направлявани превозни средства (AGV).Тези нишови приложения в миналото са били обслужвани от оловно-киселинни батерии и двигатели с вътрешно горене, но икономиката бързо се измести в полза на литиево-йонните батерии.

Китай на шофьорското място

Според анализ на BloombergNEF в началото на 2019 г. е имало 316 гигаватчаса (GWh) глобален капацитет за производство на литиеви клетки.Китай е дом на 73% от този капацитет, следван от САЩ, далеч назад на второ място с 12% от глобалния капацитет.

Предвижда се глобалният капацитет да нарасне стабилно до 2025 г., когато BloombergNEF прогнозира 1211 GWh глобален капацитет.Капацитетът в САЩ се очаква да расте, но по-бавно от глобалния капацитет.По този начин се очаква делът на САЩ в световното производство на литиеви клетки да се свие.

Tesla се опитва да се справи с този проблем, като изгради свои собствени фабрики за батерии, но за компании, които доставят широка гама от тези видове батерии, като базираната в Калифорния OneCharge, намирането на местни доставчици се оказа предизвикателство.Наскоро разговарях с изпълнителния директор на OneCharge Алекс Писарев, който подчерта предизвикателствата, пред които е изправена неговата компания:

„Американските производители биха се радвали да използват произведени в САЩ литиево-йонни клетки“, каза ми Писарев, „но днес това не е реалистично.Така че трябва да продължим да ги внасяме от Китай.”

Китай поема по същия път, който направи преди това със слънчевите панели.Докато слънчевите клетки са изобретени от американския инженер Ръсел Ол, днес Китай доминира световния пазар на слънчеви панели.Сега Китай се фокусира върху контролирането на световното производство на литиево-йонни батерии.

За предпочитане ли е да имаме възможно най-евтините зелени технологии, дори това да означава прехвърляне на производството на други страни?Ниските цени на соларните панели спомогнаха за експлозията на нов растеж на фотоволтаичните слънчеви панели и това от своя страна подкрепи много работни места в САЩ.Но по-голямата част от тези панели са произведени в Китай.Администрацията на Тръмп се опита да се справи с това, като наложи мита върху вносните слънчеви панели, но тези мита бяха енергично противопоставени от по-голямата част от соларната индустрия в САЩ.

Китай има голямо предимство на евтината работна ръка, което му позволява да доминира в много производствени индустрии.Но Китай също има повече запаси от литий и много по-голямо производство на литий от САЩ. През 2018 г. производството на литий в Китай беше 8000 метрични тона, трето място сред всички страни и почти десет пъти повече от производството на литий в САЩ.Китайските запаси от литий през 2018 г. бяха един милион метрични тона, близо 30 пъти повече от нивата в САЩ.

Пътят напред

Тенденциите сигнализират, че литиево-йонните батерии все повече ще изместват оловно-киселинните батерии в секторите на транспорта и тежкото оборудване.Това е критично развитие в свят, който се бори с рекордни емисии на въглероден диоксид.

Но с такова предимство както в производствените разходи, така и в наличността на суровини, могат ли САЩ да се конкурират с Китай на световния пазар?Ако не, тъй като нарастващият брой литиево-йонни батерии достигат края на своя използваем живот, могат ли САЩ да развият конкурентен пазар за рециклиран литий?

Това са важни въпроси, които трябва да бъдат разгледани.

Не е ясно как Китай ще се справи с подобни предизвикателства, но предвид безмилостното му преследване на литий и стратегическото значение, което придава на метала, без съмнение ще бъдат намерени решения.В много отношения възприемането на екологичния транспорт от страна на Китай е нещо добро, тъй като разширява интереса към сектора и стимулира конкурентните нации да се опитат да наваксат по отношение на техния дял в доставките на литий и пазара на акумулаторни батерии.Опасността е, че те продължават да изостават, оставяйки Китай с монопол върху това, което скоро може да се превърне в основен транспортен сектор.

Следвайте ме на Twitter или LinkedIn .Вижте моите уебсайт или някои от другите ми работи тук.