Hvorfor Kina kan dominere Lithium-ion-batteriproduktion

Er lithium-ion det ideelle batteri?

I mange år havde nikkel-cadmium været det eneste egnede batteri til bærbart udstyr fra trådløs kommunikation til mobil databehandling. Nikkel-metal-hydrid og lithium-ion dukkede op i begyndelsen af ​​1990'erne, der kæmpede næse-til-næse for at opnå kundens accept. I dag er lithium-ion den hurtigst voksende og mest lovende batterikemi.

Verden bliver mere og mere elektrificeret. Ikke alene øger udviklingslandene tilgængeligheden af ​​elektricitet til deres befolkninger, men elektrificeringen af ​​eksisterende transportinfrastruktur skrider frem i et hurtigt tempo. I 2040 forventes over halvdelen af ​​bilerne på vejene at blive drevet af elektricitet.

En kort historie om batterier

Batterier har været en del af vores hverdag i lang tid. Verdens første rigtige batteri blev opfundet i 1800 af den italienske fysiker Alessandro Volta. Opfindelsen repræsenterede et bemærkelsesværdigt gennembrud, men siden dengang har der kun været en håndfuld væsentlige innovationer.

Det første var bly-syre-batteriet, som blev opfundet i 1859. Dette var det første genopladelige batteri og er stadig det mest almindelige batteri, der bruges til at starte forbrændingsmotorer i dag.

Der har været nogle innovative batteridesigns i de sidste to århundreder, men det var først i 1980, at en rigtig game-changer blev opfundet. Det var dengang, at gennembrud på University of Oxford og Stanford University førte til udviklingen af ​​lithium-ion-batteriet. Sony kommercialiserede det første lithium-ion-batteri i 1991.

Hvad er så specielt ved lithium?

Lithium er et særligt metal på mange måder. Den er let og blød — så blød, at den kan skæres med en køkkenkniv og så lav i tæthed, at den flyder på vandet. Det er også fast ved en lang række temperaturer med et af de laveste smeltepunkter af alle metaller og et højt kogepunkt.

Ligesom dets andre alkalimetal, natrium, reagerer lithium med vand i prangende form. Kombinationen af ​​Li og H2O danner lithiumhydroxid og brint, som typisk bryder ud i rød flamme.

Der er mange aspekter Lithium-ion batteri sikkerhed i hele dets designprocesser, herunder sikker batteristruktur, sikre råmaterialer, beskyttelsesfunktioner og sikkerhedscertificeringer. Da han blev interviewet af China Electronics News, sagde hr. Su Jinran, vicechefingeniør, at produktsikkerhed begyndte i produktdesign, derfor er valg af de rigtige elektrodematerialer, separatorer og elektrolytter den første prioritet for sikkert batteridesign. For batterianodematerialer er ternære materialer, manganlithium og lithiumjernfosfat, som er blevet meget brugt i batteridesign og har givet tilfredsstillende ydeevne, mere sikre end traditionelt lithiumcobaltat og nikkellithium.

Lithium-ion-batterier er populære, fordi de har en række vigtige fordele i forhold til konkurrerende teknologier:

● De er generelt meget lettere end andre typer genopladelige batterier af samme størrelse. Elektroderne på et lithium-ion batteri er lavet af letvægts lithium og kulstof. Lithium er også et meget reaktivt grundstof, hvilket betyder, at en masse energi kan lagres i dets atombindinger. Dette udmønter sig i en meget høj energitæthed for lithium-ion-batterier. Her er en måde at få et perspektiv på energitæthed. Et typisk lithium-ion-batteri kan lagre 150 watt-timers elektricitet i 1 kg batteri. En NiMH (nikkel-metalhydrid) batteripakke kan lagre måske 100 watt-timer pr. kilogram, selvom 60 til 70 watt-timer måske er mere typisk. Et bly-syre batteri kan kun lagre 25 watt-timer pr. kilogram. Ved hjælp af bly-syre-teknologi tager det 6 kg at lagre den samme mængde energi, som et 1-kilogram lithium-ion-batteri kan klare. Det er en kæmpe forskel [kilde: Everything2.com ].

● De holder deres ansvar. En lithium-ion-batteripakke mister kun omkring 5 procent af sin opladning om måneden, sammenlignet med et tab på 20 procent om måneden for NiMH-batterier.

● De har ingen memory-effekt, hvilket betyder, at du ikke behøver at aflade dem helt før genopladning, som med nogle andre batterikemier.

● Lithium-ion-batterier kan håndtere hundredvis af opladnings-/afladningscyklusser.

● Dermed ikke sagt, at lithium-ion-batterier er fejlfrie. De har også et par ulemper:

● De begynder at nedværdige, så snart de forlader fabrikken. De holder kun to eller tre år fra fremstillingsdatoen, uanset om du bruger dem eller ej.

● De er ekstremt følsomme over for høje temperaturer. Varme får lithium-ion-batteripakker til at nedbrydes meget hurtigere, end de normalt ville.

● Hvis du aflader et lithium-ion-batteri helt, er det ødelagt.

● En lithium-ion batteripakke skal have en indbygget computer for at styre batteriet. Det gør dem endnu dyrere, end de allerede er.

● Der er en lille chance for, at hvis en lithium-ion batteripakke svigter, vil den bryde i brand.

Innovationsbaseret standardindstilling

På grund af kompleksiteten i lithium-ion-batterisikkerhedsmekanismen, især indvirkningen på sikkerheden efter genbrug af batterierne, bør processen med at forstå lithium-ion-batterisikkerheden og fastsætte dens standarder være gradvis og progressiv. Og udvikling og anvendelse af eksterne kontrolteknikker bør også overvejes. Su foreslog det som indstilling Lithium-ion batteri sikkerhedsstandarder er et yderst teknisk arbejde, både fagfolk fra standardisering fra batteristandardiseringsorganer og tekniske specialister fra batteriindustrien, brugere og elektroniske kontrolområder bør deltage i processen, herunder eksperimentelle verifikationsarbejder.

Senioringeniør fra China Electronics Standardization Institute, Mr. Sun Chuanhao, sagde, at lithium-ion-batterier i øjeblikket kan opdeles i energityper og strømtyper. Da disse to produkter har forskelle i materialer og designstrukturer, er deres testmetoder og krav uens, selv under de samme sikkerhedsforhold. De såkaldte bærbare batterier hører til energitypen, herunder lithium-ion-batterier, der bruges i mobiltelefoner, bærbare computere, digitale kameraer og videokameraer, mens strømtypens batteri er til elværktøj, elcykler og elektriske køretøjer.

Ifølge forskningsorganisationen BloombergNEF faldt den volumenvægtede gennemsnitlige lithium-ion batteripakkepris (som inkluderer cellen og pakken) 85% fra 2010-18 og nåede et gennemsnit på $176/kWh. BloombergNEF forudser yderligere, at priserne vil falde til $94/kWh i 2024 og $62/kWh i 2030.

Denne faldende omkostningskurve har vigtige konsekvenser for enhver virksomhed, der bruger batterier i sin tjeneste, eller for dem, der har behov for at lagre energi (f.eks. strømproducenter). Til dato har det meste salg af lithium-ion batterier været i forbrugerelektroniksektoren, men det fremtidige salg vil i stigende grad blive drevet af elbiler.

De fleste biler på vejene i dag bruger stadig et blybatteri og en forbrændingsmotor. Men salget af elektriske køretøjer - drevet af lithium-ion-batterier - er steget mere end tidoblet i de seneste fem år. Yderligere sætter flere og flere lande fremtidige forbud mod biler baseret på forbrænding med forventning om, at elbiler i sidste ende vil dominere den personlige transport.

Det betyder selvfølgelig en langt større fremtidig efterspørgsel efter batterier. Så meget, at elbilproducenten Tesla i samarbejde med Panasonic investerer milliarder af dollars for at bygge nye lithium-ion batterifabrikker. Ikke desto mindre sakker amerikanske lithium-ion batteriproducenter bagud i markedsandel.

Et relateret vækstmarked for lithium-ion-batterier er inden for tunge industrielle applikationer såsom gaffeltrucks, fejemaskiner og scrubbere, applikationer til jordstøtte til lufthavne og automatiske vejledte køretøjer (AGV'er). Disse nicheapplikationer har historisk set været tjent med bly-syre-batterier og forbrændingsmotorer, men økonomien har hurtigt skiftet til fordel for lithium-ion-batterier.

Kina i førersædet

Ifølge en analyse foretaget af BloombergNEF var der i begyndelsen af ​​2019 316 gigawatt-timer (GWh) af global lithiumcelleproduktionskapacitet. Kina er hjemsted for 73 % af denne kapacitet, efterfulgt af USA, langt bagud på andenpladsen med 12 % af den globale kapacitet.

Den globale kapacitet forventes at vokse kraftigt i 2025, når BloombergNEF forudsiger 1.211 GWh global kapacitet. Kapaciteten i USA forventes at vokse, men langsommere end den globale kapacitet. Således forventes den amerikanske andel af den globale produktion af lithiumceller at falde.

Tesla forsøger at løse dette problem ved at bygge sine egne batterifabrikker, men for virksomheder, der leverer en lang række af disse typer batterier, såsom Californien-baserede OneCharge, har det vist sig at være en udfordring at finde lokale leverandører. Jeg talte for nylig med OneCharge CEO Alex Pisarev, som fremhævede de udfordringer, hans virksomhed har stået over for:

"Amerikanske producenter ville være glade for at bruge amerikansk fremstillede lithium-ion-celler," fortalte Pisarev mig, "men det er ikke realistisk i dag. Så vi er nødt til at fortsætte med at importere dem fra Kina."

Kina går samme vej, som det gjorde tidligere med solpaneler. Mens solceller blev opfundet af den amerikanske ingeniør Russell Ohl, dominerer Kina i dag det globale solpanelmarked. Nu er Kina fokuseret på at kontrollere verdens produktion af lithium-ion-batterier.

Er det at foretrække at have de billigst mulige grønne teknologier, selvom det betyder, at man overgiver produktionen til andre lande? Lave priser på solpaneler har været med til at drive en eksplosion af ny vækst af solceller, og det har til gengæld understøttet mange amerikanske job. Men hovedparten af ​​disse paneler er lavet i Kina. Trump-administrationen har forsøgt at løse dette ved at placere told på importerede solpaneler, men disse tariffer er blevet kraftigt modarbejdet af det meste af den amerikanske solcelleindustri.

Kina har en stor fordel ved billig arbejdskraft, hvilket har gjort det muligt at dominere mange fremstillingsindustrier. Men Kina har også flere lithiumreserver og meget større lithiumproduktion end USA. I 2018 var den kinesiske lithiumproduktion på 8.000 tons, tredje blandt alle lande og næsten ti gange amerikansk lithiumproduktion. Kinesiske lithiumreserver i 2018 var en million metriske tons, næsten 30 gange amerikanske niveauer.

Vejen frem

Tendenserne signalerer, at lithium-ion-batterier i stigende grad vil fortrænge bly-syre-batterier i transport- og tungt udstyrssektoren. Dette er en kritisk udvikling i en verden, der kæmper med rekordstore kuldioxidemissioner.

Men med en sådan fordel i både produktionsomkostninger og tilgængelighed af råmaterialer, kan USA konkurrere med Kina på verdensmarkedet? Hvis ikke, da et stigende antal lithium-ion-batterier når slutningen af ​​deres brugbare levetid, kan USA så udvikle et konkurrencedygtigt marked for genbrugslithium?

Det er vigtige spørgsmål, der skal behandles.

Det er uklart, hvordan Kina vil håndtere sådanne udfordringer, men i betragtning af dets ubønhørlige jagt på lithium, og den strategiske betydning, det tillægger metallet, vil der uden tvivl blive fundet løsninger. På mange måder er Kinas omfavnelse af grøn transport en god ting, da det øger interessen for sektoren og ansporer konkurrerende nationer til at forsøge at indhente deres andel af lithiumforsyningen og markedet for genopladelige batterier. Faren er, at de fortsætter med at sakke bagud, hvilket efterlader Kina med monopol på, hvad der snart kan blive en mainstream transportsektor.

Følg mig videre Twitter eller LinkedIn . Tjek min hjemmeside eller noget af mit andet arbejde her.