Per què la Xina pot dominar la producció de bateries d'ions de liti

És l'ió de liti la bateria ideal?

Durant molts anys, el níquel-cadmi havia estat l'única bateria adequada per a equips portàtils, des de comunicacions sense fil fins a informàtica mòbil.El níquel-metall-hidrur i els ions de liti van sorgir A principis de la dècada de 1990, lluitant nas a nas per aconseguir l'acceptació dels clients.Avui, l'ió de liti és la química de bateries de més ràpid creixement i més prometedora.

El món s'electrifica cada cop més.Els països en desenvolupament no només estan augmentant la disponibilitat d'electricitat per a les seves poblacions, sinó que l'electrificació de la infraestructura de transport existent avança a un ritme ràpid.Per al 2040, es preveu que més de la meitat dels cotxes a les carreteres funcionin amb electricitat.

Breu història de les bateries

Les bateries formen part de la nostra vida quotidiana durant molt de temps.La primera bateria real del món va ser inventada l'any 1800 pel físic italià Alessandro Volta.L'invent va representar un avenç notable, però des d'aleshores només hi ha hagut un grapat d'innovacions significatives.

La primera va ser la bateria de plom-àcid, que es va inventar l'any 1859. Aquesta va ser la primera bateria recarregable i encara és la bateria més comuna que s'utilitza per engegar motors de combustió interna avui dia.

Hi ha hagut alguns dissenys de bateries innovadors en els últims dos segles, però no va ser fins al 1980 que es va inventar un veritable canvi de joc.Va ser llavors quan els avenços a la Universitat d'Oxford i la Universitat de Stanford van portar al desenvolupament de la bateria d'ions de liti.Sony va comercialitzar la primera bateria d'ió de liti l'any 1991.

Què té d'especial el liti?

El liti és un metall especial en molts aspectes.És lleuger i suau, tan suau que es pot tallar amb un ganivet de cuina i de tan baixa densitat que flota sobre l'aigua.També és sòlid a una àmplia gamma de temperatures, amb un dels punts de fusió més baixos de tots els metalls i un punt d'ebullició elevat.

Igual que els seus companys de metall alcalí, el sodi, el liti reacciona amb l'aigua en forma vistosa.La combinació de Li i H2O forma hidròxid de liti i hidrogen, que normalment esclaten en una flama vermella.

Hi ha molts aspectes Bateria de ions de liti seguretat en els seus processos de disseny, inclosa l'estructura segura de la bateria, les matèries primeres segures, les funcions de protecció i les certificacions de seguretat.Quan va ser entrevistat per China Electronics News, el Sr. Su Jinran, enginyer en cap adjunt, va dir que la seguretat del producte va començar en el disseny del producte, per tant, seleccionar els materials d'elèctrodes, separadors i electròlits adequats és la primera prioritat per al disseny segur de la bateria.Per als materials de l'ànode de la bateria, els materials ternaris, el manganès liti i el fosfat de ferro de liti, que s'han utilitzat àmpliament en el disseny de la bateria i han donat un rendiment satisfactori, són més segurs que el cobaltat de liti tradicional i el níquel liti.

Les bateries d'ions de liti són populars perquè tenen una sèrie d'avantatges importants respecte a les tecnologies de la competència:

● En general, són molt més lleugeres que altres tipus de bateries recarregables de la mateixa mida.Els elèctrodes d'una bateria d'ions de liti estan fets de liti lleuger i carboni.El liti també és un element altament reactiu, el que significa que es pot emmagatzemar molta energia en els seus enllaços atòmics.Això es tradueix en una densitat d'energia molt alta per a les bateries d'ions de liti.Aquí hi ha una manera d'obtenir una perspectiva sobre la densitat d'energia.Una bateria d'ió de liti típica pot emmagatzemar 150 watts-hora d'electricitat en 1 quilogram de bateria.Un paquet de bateries NiMH (níquel-hidrur metàl·lic) pot emmagatzemar potser 100 watts-hora per quilogram, encara que de 60 a 70 watts-hora podria ser més habitual.Una bateria de plom-àcid només pot emmagatzemar 25 watts-hora per quilogram.Utilitzant la tecnologia de plom-àcid, es necessiten 6 quilograms per emmagatzemar la mateixa quantitat d'energia que pot suportar una bateria d'ió de liti d'1 quilogram.Aquesta és una gran diferència [font: Everything2.com ].

● Tenen el seu càrrec.Un paquet de bateries d'ions de liti només perd al voltant del 5 per cent de la seva càrrega al mes, en comparació amb una pèrdua del 20 per cent per mes de les bateries de NiMH.

● No tenen efecte de memòria, la qual cosa significa que no cal que els descarregueu completament abans de recarregar-los, com passa amb algunes altres químiques de bateries.

● Les bateries d'ió de liti poden gestionar centenars de cicles de càrrega/descàrrega.

● Això no vol dir que les bateries d'ió de liti siguin impecables.També tenen alguns inconvenients:

● Comencen a degradar-se tan bon punt surten de la fàbrica.Només duraran dos o tres anys a partir de la data de fabricació tant si els feu servir com si no.

● Són extremadament sensibles a les altes temperatures.La calor fa que les bateries d'ió de liti es degraden molt més ràpidament del que ho farien normalment.

● Si descarregueu completament una bateria d'ió de liti, s'arruïna.

● Una bateria d'ió de liti ha de tenir un ordinador a bord per gestionar la bateria.Això els fa encara més cars del que ja són.

● Hi ha una petita possibilitat que, si una bateria d'ió de liti falla, esclata en flames.

Establiment d'estàndards basat en la innovació

A causa de la complexitat del mecanisme de seguretat de la bateria d'ions de liti, especialment l'impacte en la seguretat després de reutilitzar les bateries, el procés d'entendre la seguretat de la bateria d'ions de liti i establir els seus estàndards hauria de ser gradual i progressiu.I també s'ha de tenir en compte el desenvolupament i l'aplicació de tècniques de control extern.Su ho va suggerir com a escenari Bateria de ions de liti Les normes de seguretat són una feina altament tècnica, tant els professionals de l'establiment de normes dels organismes d'estandardització de les bateries com els especialistes tècnics de la indústria de les bateries, els usuaris i les àrees de control electrònic han de participar en el procés, inclosos els treballs de verificació experimentals.

L'enginyer sènior de l'Institut d'Estandardització Electrònica de la Xina, Sun Chuanhao, va dir que actualment les bateries d'ió de liti es poden dividir en tipus d'energia i tipus de potència.Com que aquests dos productes tenen diferències en materials i estructures de disseny, els seus mètodes de prova i requisits són diferents, fins i tot en les mateixes condicions de seguretat.Les anomenades bateries portàtils pertanyen al tipus d'energia, incloses les bateries d'ions de liti utilitzades en telèfons mòbils, ordinadors portàtils, càmeres digitals i càmeres de vídeo, mentre que la bateria de tipus potència és per a eines elèctriques, bicicletes elèctriques i vehicles elèctrics.

Segons l'organització d'investigació BloombergNEF, el preu mitjà ponderat per volum de la bateria d'ió de liti (que inclou la cèl·lula i el paquet) va caure un 85% entre el 2010 i el 2018, assolint una mitjana de 176 dòlars/kWh.BloombergNEF preveu que els preus cauran a 94 dòlars/kWh el 2024 i 62 dòlars/kWh el 2030.

Aquesta corba de costos decreixent té implicacions importants per a qualsevol empresa que utilitzi bateries al seu servei, o per a aquelles que tinguin la necessitat d'emmagatzemar energia (per exemple, els productors d'energia).Fins ara, la majoria de les vendes de bateries d'ió de liti s'han fet al sector de l'electrònica de consum, però les vendes futures seran cada cop més impulsades pels cotxes elèctrics.

La majoria dels cotxes a les carreteres avui encara utilitzen una bateria de plom-àcid i un motor de combustió interna.Però les vendes de vehicles elèctrics, alimentats per bateries d'ions de liti, han augmentat més de deu vegades en els últims cinc anys.A més, cada cop més països estan imposant futures prohibicions als cotxes basades en la combustió interna, amb l'expectativa que els vehicles elèctrics eventualment dominen el transport personal.

Això, per descomptat, significa una demanda futura molt més gran de bateries.Tant és així que el fabricant de vehicles elèctrics Tesla, en col·laboració amb Panasonic, està invertint milers de milions de dòlars per construir noves fàbriques de bateries d'ions de liti.No obstant això, els productors nord-americans de bateries d'ions de liti estan quedant enrere en quota de mercat.

Un mercat de creixement relacionat per a bateries d'ions de liti és en aplicacions industrials pesades com ara carretons elevadors, escombradores i fregadores, aplicacions de suport a terra d'aeroports i vehicles guiats automàtics (AGV).Històricament, aquestes aplicacions de nínxol han estat servides per bateries de plom-àcid i motors de combustió interna, però l'economia ha canviat ràpidament a favor de les bateries d'ions de liti.

Xina al seient del conductor

Segons una anàlisi de BloombergNEF, a principis del 2019 hi havia 316 gigawatts-hora (GWh) de capacitat global de fabricació de cèl·lules de liti.La Xina acull el 73% d'aquesta capacitat, seguida dels EUA, molt per darrere en segon lloc amb el 12% de la capacitat mundial.

Es preveu que la capacitat global creixi de manera robusta el 2025, quan BloombergNEF preveu 1.211 GWh de capacitat global.Es preveu que la capacitat dels EUA creixi, però més lent que la capacitat mundial.Així, es preveu que la quota dels Estats Units de la fabricació mundial de cèl·lules de liti es redueixi.

Tesla està intentant solucionar aquest problema construint les seves pròpies fàbriques de bateries, però per a les empreses que subministren una àmplia gamma d'aquests tipus de bateries, com ara OneCharge, amb seu a Califòrnia, ha demostrat ser un repte trobar proveïdors locals.Recentment vaig parlar amb el CEO de OneCharge, Alex Pisarev, que va destacar els reptes als quals s'ha enfrontat la seva empresa:

"Els fabricants nord-americans estarien encantats d'utilitzar cèl·lules d'ions de liti fabricades als Estats Units", em va dir Pisarev, "però això no és realista avui.Així que hem de continuar important-los de la Xina".

La Xina està prenent el mateix camí que va fer anteriorment amb les plaques solars.Mentre que les cèl·lules solars van ser inventades per l'enginyer nord-americà Russell Ohl, avui la Xina domina el mercat mundial de panells solars.Ara la Xina es centra a controlar la producció mundial de bateries d'ions de liti.

És preferible tenir les tecnologies verdes més barates possibles, encara que això signifiqui cedir la fabricació a altres països?Els baixos preus dels panells solars han ajudat a impulsar una explosió de creixement del nou creixement solar fotovoltaic, i això, al seu torn, ha donat suport a molts llocs de treball als Estats Units.Però la major part d'aquests panells es fabriquen a la Xina.L'Administració de Trump ha intentat solucionar-ho aplicant aranzels als panells solars importats, però aquests aranzels s'han oposat enèrgicament a la majoria de la indústria solar dels EUA.

La Xina té un gran avantatge de mà d'obra barata, que li ha permès dominar moltes indústries manufactureres.Però la Xina també té més reserves de liti i una producció de liti molt més gran que els EUA El 2018, la producció xinesa de liti va ser de 8.000 tones mètriques, el tercer entre tots els països i gairebé deu vegades la producció de liti dels EUA.Les reserves de liti xineses el 2018 van ser d'un milió de tones mètriques, gairebé 30 vegades els nivells dels EUA.

El camí cap endavant

Les tendències indiquen que les bateries d'ions de liti desplaçaran cada cop més les bateries de plom-àcid als sectors del transport i d'equips pesats.Aquest és un desenvolupament crític en un món que lluita amb emissions rècord de diòxid de carboni.

Però amb aquest avantatge tant en costos de fabricació com en disponibilitat de matèries primeres, poden els EUA competir amb la Xina al mercat mundial?Si no és així, a mesura que un nombre creixent de bateries d'ions de liti arriben al final de la seva vida útil, poden els EUA desenvolupar un mercat competitiu per al liti reciclat?

Aquestes són preguntes importants que s'han de resoldre.

No està clar com la Xina afrontarà aquests reptes, però tenint en compte la seva recerca implacable del liti i la importància estratègica que atorga al metall, sens dubte es trobaran solucions.En molts aspectes, l'adopció del transport verd per part de la Xina és una bona cosa, ja que amplia l'interès en el sector i estimula els països competidors a intentar posar-se al dia pel que fa a la seva quota de subministrament de liti i al mercat de les bateries recarregables.El perill és que segueixin endarrerits, deixant la Xina amb un monopoli sobre el que aviat es podria convertir en un sector del transport principal.

Segueix-me Twitter o LinkedIn .Fes una ullada al meu lloc web o algun dels meus altres treballs aquí.