Proč může Čína ovládnout výrobu lithium-iontových baterií

Je lithium-iontová ideální baterie?

Po mnoho let byl nikl-kadmium jedinou vhodnou baterií pro přenosná zařízení od bezdrátové komunikace po mobilní výpočetní techniku.Nikl-metal-hydrid a lithium-ion se objevily na počátku 90. let minulého století, kdy bojovalo ze strany na stranu, aby získalo přijetí ze strany zákazníků.Dnes je lithium-iont nejrychleji rostoucí a nejslibnější chemie baterií.

Svět je stále více elektrifikovaný.Rozvojové země nejen zvyšují dostupnost elektřiny pro své obyvatelstvo, ale rychlým tempem postupuje i elektrifikace stávající dopravní infrastruktury.Předpokládá se, že do roku 2040 bude více než polovina aut na silnicích poháněna elektřinou.

Stručná historie baterií

Baterie jsou součástí našeho každodenního života již dlouhou dobu.První skutečnou baterii na světě vynalezl v roce 1800 italský fyzik Alessandro Volta.Vynález představoval pozoruhodný průlom, ale od té doby došlo pouze k několika významným inovacím.

První byla olověná baterie, která byla vynalezena v roce 1859. Jednalo se o první dobíjecí baterii a dodnes je nejběžnější baterií používanou ke spouštění spalovacích motorů.

V posledních dvou stoletích došlo k několika inovativním konstrukcím baterií, ale teprve v roce 1980 byl vynalezen skutečný herní měnič.To bylo, když průlomy na univerzitě v Oxfordu a Stanfordské univerzitě vedly k vývoji lithium-iontové baterie.Společnost Sony uvedla na trh první lithium-iontovou baterii v roce 1991.

Co je na lithiu tak zvláštního?

Lithium je v mnoha ohledech speciální kov.Je lehký a měkký — tak měkký, že se dá krájet kuchyňským nožem, a má tak nízkou hustotu, že plave na vodě.Je také pevný v širokém rozsahu teplot, s jedním z nejnižších bodů tání ze všech kovů a vysokým bodem varu.

Stejně jako jeho další alkalický kov, sodík, lithium reaguje s vodou v nápadné formě.Kombinace Li a H2O tvoří hydroxid lithný a vodík, který typicky vzplane červeným plamenem.

Existuje mnoho aspektů Lithium-iontová baterie bezpečnost v celém procesu návrhu, včetně bezpečné struktury baterie, bezpečných surovin, ochranných funkcí a bezpečnostních certifikací.V rozhovoru pro China Electronics News pan Su Jinran, zástupce hlavního inženýra, řekl, že bezpečnost produktu začala v designu produktu, a proto je výběr správných materiálů elektrod, separátorů a elektrolytů první prioritou pro bezpečný design baterií.U materiálů anod pro baterie jsou ternární materiály, mangan lithium a fosforečnan lithný, které byly široce používány v konstrukci baterií a poskytovaly uspokojivý výkon, bezpečnější než tradiční kobaltát lithný a lithium nikl.

Lithium-iontové baterie jsou oblíbené, protože mají oproti konkurenčním technologiím řadu důležitých výhod:

● Jsou obecně mnohem lehčí než jiné typy dobíjecích baterií stejné velikosti.Elektrody lithium-iontové baterie jsou vyrobeny z lehkého lithia a uhlíku.Lithium je také vysoce reaktivní prvek, což znamená, že v jeho atomových vazbách může být uloženo velké množství energie.To se promítá do velmi vysoké hustoty energie pro lithium-iontové baterie.Zde je způsob, jak získat pohled na hustotu energie.Typická lithium-iontová baterie dokáže uložit 150 watthodin elektřiny v 1 kilogramu baterie.NiMH (nikl-metal hydridová) baterie dokáže uchovat asi 100 watthodin na kilogram, ačkoli typičtější může být 60 až 70 watthodin.Olověná baterie dokáže uchovat pouze 25 watthodin na kilogram.Pomocí technologie olova a kyseliny je potřeba 6 kilogramů k uložení stejného množství energie, jaké zvládne 1 kilogramová lithium-iontová baterie.To je obrovský rozdíl [zdroj: Všechno 2.com ].

● Drží svůj úkol.Lithium-iontová baterie ztratí za měsíc pouze asi 5 procent svého nabití, ve srovnání s 20 procenty ztráty za měsíc u baterií NiMH.

● Nemají paměťový efekt, což znamená, že je nemusíte před nabíjením úplně vybít, jako u některých jiných chemických látek.

● Lithium-iontové baterie zvládnou stovky cyklů nabití/vybití.

● To neznamená, že lithium-iontové baterie jsou bezchybné.Mají také několik nevýhod:

● Začnou degradovat, jakmile opustí továrnu.Bez ohledu na to, zda je používáte nebo ne, vydrží pouze dva nebo tři roky od data výroby.

● Jsou extrémně citlivé na vysoké teploty.Teplo způsobuje, že se lithium-iontové baterie degradují mnohem rychleji než normálně.

● Pokud zcela vybijete lithium-iontovou baterii, dojde k jejímu zničení.

● Sada lithium-iontových baterií musí mít palubní počítač pro správu baterie.Díky tomu jsou ještě dražší, než už jsou.

● Existuje malá pravděpodobnost, že pokud lithium-iontová baterie selže, vzplane.

Standardní nastavení založené na inovacích

Vzhledem ke složitosti bezpečnostního mechanismu lithium-iontových baterií, zejména dopadu na bezpečnost po opětovném použití baterií, by proces pochopení bezpečnosti lithium-iontových baterií a stanovení jejích standardů měl být postupný a progresivní.A také je třeba zvážit vývoj a aplikaci technik externí kontroly.Su to navrhla jako nastavení Lithium-iontová baterie bezpečnostní standardy jsou vysoce technickou prací, na procesu, včetně experimentálních ověřovacích prací, by se měli podílet jak odborníci na nastavení norem z orgánů pro normalizaci baterií, tak techničtí specialisté z průmyslu baterií, uživatelů a oblastí elektronického řízení.

Senior inženýr z China Electronics Standardization Institute, pan Sun Chuanhao, řekl, že lithium-iontové baterie lze v současné době rozdělit na typy energie a typy napájení.Protože se tyto dva produkty liší v materiálech a konstrukčních strukturách, jejich zkušební metody a požadavky jsou odlišné, a to i za stejných bezpečnostních podmínek.Takzvané přenosné baterie patří k energetickému typu, včetně lithium-iontových baterií používaných v mobilních telefonech, noteboocích, digitálních fotoaparátech a videokamerách, zatímco baterie typu napájení jsou určeny pro elektrické nářadí, elektrická kola a elektrická vozidla.

Podle výzkumné organizace BloombergNEF objemově vážená průměrná cena lithium-iontové baterie (která zahrnuje článek a sadu) klesla v letech 2010-18 o 85 % a dosáhla v průměru 176 $/kWh.BloombergNEF dále předpokládá, že ceny klesnou na 94 USD/kWh do roku 2024 a 62 USD/kWh do roku 2030.

Tato klesající nákladová křivka má důležité důsledky pro každou společnost, která ve svých službách využívá baterie, nebo pro ty, kteří potřebují energii skladovat (např. výrobci elektřiny).K dnešnímu dni byla většina prodejů lithium-iontových baterií v sektoru spotřební elektroniky, ale budoucí prodeje budou stále více taženy elektromobily.

Většina aut na silnicích dnes stále používá olověný akumulátor a spalovací motor.Prodej elektromobilů – poháněných lithium-iontovými bateriemi – se však za posledních pět let zvýšil více než desetinásobně.Kromě toho stále více zemí zavádí budoucí zákazy automobilů založených na vnitřním spalování s očekáváním, že elektrická vozidla nakonec převládnou v osobní dopravě.

To samozřejmě znamená daleko větší budoucí poptávku po bateriích.Natolik, že výrobce elektromobilů Tesla ve spolupráci se společností Panasonic investuje miliardy dolarů do výstavby nových továren na lithium-iontové baterie.Přesto američtí výrobci lithium-iontových baterií zaostávají v podílu na trhu.

Související rostoucí trh s lithium-iontovými bateriemi je v těžkých průmyslových aplikacích, jako jsou vysokozdvižné vozíky, zametací stroje a čističky, pozemní aplikace na letištích a automaticky naváděná vozidla (AGV).Těmto specializovaným aplikacím historicky sloužily olověné baterie a spalovací motory, ale ekonomika se rychle posunula ve prospěch lithium-iontových baterií.

Čína na sedadle řidiče

Podle analýzy BloombergNEF bylo na začátku roku 2019 316 gigawatthodin (GWh) celosvětové výrobní kapacity lithiových článků.Čína je domovem 73 % této kapacity, následují USA, které jsou daleko za druhým s 12 % celosvětové kapacity.

Očekává se, že globální kapacita výrazně poroste do roku 2025, kdy BloombergNEF předpovídá 1 211 GWh globální kapacity.Předpokládá se, že kapacita v USA poroste, ale pomaleji než celosvětová kapacita.Předpokládá se tedy, že podíl USA na celosvětové výrobě lithiových článků se sníží.

Tesla se snaží tento problém řešit výstavbou vlastních továren na baterie, ale pro společnosti, které dodávají širokou škálu těchto typů baterií, jako je například kalifornský OneCharge, se hledání místních dodavatelů ukázalo jako náročné.Nedávno jsem mluvil s generálním ředitelem společnosti OneCharge Alexem Pisarevem, který zdůraznil výzvy, kterým jeho společnost čelila:

„Američtí výrobci by rádi použili lithium-iontové články vyrobené v USA,“ řekl mi Pisarev, „ale to dnes není reálné.Musíme je tedy nadále dovážet z Číny.“

Čína jde stejnou cestou, jakou se dříve vydávala se solárními panely.Zatímco solární články vynalezl americký inženýr Russell Ohl, dnes globálnímu trhu solárních panelů dominuje Čína.Nyní se Čína zaměřuje na kontrolu světové výroby lithium-iontových baterií.

Je lepší mít co nejlevnější zelené technologie, i když to znamená přenechat výrobu jiným zemím?Nízké ceny solárních panelů pomohly řídit explozi růstu nových solárních PV, a to zase podpořilo mnoho pracovních míst v USA.Ale většina těchto panelů je vyrobena v Číně.Trumpova administrativa se to pokusila vyřešit zavedením cel na dovážené solární panely, ale většina amerického solárního průmyslu se těmto clům důrazně postavila.

Čína má velkou výhodu levné pracovní síly, která jí umožnila ovládnout mnoho výrobních odvětví.Čína má ale také větší zásoby lithia a mnohem větší produkci lithia než USA. V roce 2018 byla čínská produkce lithia 8 000 metrických tun, třetí mezi všemi zeměmi a téměř desetinásobek produkce lithia v USA.Čínské zásoby lithia v roce 2018 činily jeden milion metrických tun, což je téměř 30krát více než v USA.

Cesta vpřed

Trendy signalizují, že lithium-iontové baterie budou stále více nahrazovat olověné baterie v odvětví dopravy a těžké techniky.Jde o zásadní vývoj ve světě, který se potýká s rekordními emisemi oxidu uhličitého.

Ale s takovou výhodou jak ve výrobních nákladech, tak v dostupnosti surovin, mohou USA konkurovat Číně na světovém trhu?Pokud ne, protože rostoucí počet lithium-iontových baterií dosáhne konce své použitelnosti, mohou USA vytvořit konkurenční trh pro recyklované lithium?

To jsou důležité otázky, které je třeba řešit.

Není jasné, jak se Čína s takovými výzvami vypořádá, ale vzhledem k její neúnavné snaze o lithium a strategické důležitosti, kterou tomuto kovu přikládá, se řešení nepochybně najdou.V mnoha ohledech je čínská ekologická doprava dobrá věc, protože rozšiřuje zájem o toto odvětví a podněcuje konkurenční země, aby se pokusily dohnat svůj podíl na dodávkách lithia a na trhu s dobíjecími bateriemi.Nebezpečí spočívá v tom, že budou nadále zaostávat, takže Čína bude mít monopol na to, co by se brzy mohlo stát hlavním dopravním odvětvím.

Následujte mě na Cvrlikání nebo LinkedIn .Podívejte se na můj webová stránka nebo něco z mé další práce zde.