Γιατί η Κίνα μπορεί να κυριαρχήσει στην παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου

Είναι ιόντων λιθίου η ιδανική μπαταρία;

Για πολλά χρόνια, το νικέλιο-κάδμιο ήταν η μόνη κατάλληλη μπαταρία για φορητό εξοπλισμό από ασύρματες επικοινωνίες έως φορητούς υπολογιστές.Το νικέλιο-υδρίδιο μετάλλου και το ιόν λιθίου εμφανίστηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1990, μάχονταν μύτη με μύτη για να κερδίσουν την αποδοχή των πελατών.Σήμερα, τα ιόντα λιθίου είναι η ταχύτερα αναπτυσσόμενη και πολλά υποσχόμενη χημεία μπαταρίας.

Ο κόσμος ηλεκτρίζεται όλο και περισσότερο.Όχι μόνο οι αναπτυσσόμενες χώρες αυξάνουν τη διαθεσιμότητα ηλεκτρικής ενέργειας στους πληθυσμούς τους, αλλά η ηλεκτροδότηση της υπάρχουσας υποδομής μεταφορών προχωρά με γοργούς ρυθμούς.Μέχρι το 2040, περισσότερα από τα μισά αυτοκίνητα στους δρόμους προβλέπεται να κινούνται με ηλεκτρική ενέργεια.

Μια σύντομη ιστορία των μπαταριών

Οι μπαταρίες είναι μέρος της καθημερινότητάς μας εδώ και πολύ καιρό.Η πρώτη αληθινή μπαταρία στον κόσμο εφευρέθηκε το 1800 από τον Ιταλό φυσικό Alessandro Volta.Η εφεύρεση αντιπροσώπευε μια αξιοσημείωτη ανακάλυψη, αλλά από τότε έχουν υπάρξει μόνο λίγες σημαντικές καινοτομίες.

Η πρώτη ήταν η μπαταρία μολύβδου-οξέος, η οποία εφευρέθηκε το 1859. Αυτή ήταν η πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία και εξακολουθεί να είναι η πιο κοινή μπαταρία που χρησιμοποιείται για την εκκίνηση κινητήρων εσωτερικής καύσης σήμερα.

Υπήρξαν μερικά καινοτόμα σχέδια μπαταριών τους τελευταίους δύο αιώνες, αλλά μόλις το 1980 εφευρέθηκε μια πραγματική αλλαγή παιχνιδιών.Τότε ήταν που οι ανακαλύψεις στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ οδήγησαν στην ανάπτυξη της μπαταρίας ιόντων λιθίου.Η Sony κυκλοφόρησε στο εμπόριο την πρώτη μπαταρία ιόντων λιθίου το 1991.

Τι το ιδιαίτερο έχει το λίθιο;

Το λίθιο είναι ένα ιδιαίτερο μέταλλο από πολλές απόψεις.Είναι ελαφρύ και μαλακό — τόσο μαλακό που μπορεί να κοπεί με ένα κουζινομάχαιρο και τόσο χαμηλή σε πυκνότητα που επιπλέει στο νερό.Είναι επίσης στερεό σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, με ένα από τα χαμηλότερα σημεία τήξης από όλα τα μέταλλα και υψηλό σημείο βρασμού.

Όπως το άλλο αλκαλικό μέταλλο, το νάτριο, το λίθιο αντιδρά με το νερό σε επιδεικτική μορφή.Ο συνδυασμός Li και H2O σχηματίζει υδροξείδιο του λιθίου και υδρογόνο, τα οποία συνήθως ξεσπούν σε κόκκινη φλόγα.

Υπάρχουν πολλές πτυχές σε Μπαταρία ιόντων λιθίου ασφάλεια σε όλες τις διαδικασίες σχεδιασμού του, συμπεριλαμβανομένης της ασφαλούς δομής της μπαταρίας, των ασφαλών πρώτων υλών, των προστατευτικών λειτουργιών και των πιστοποιήσεων ασφαλείας.Όταν πήρε συνέντευξη από την China Electronics News, ο κ. Su Jinran, αναπληρωτής επικεφαλής μηχανικός, είπε ότι η ασφάλεια των προϊόντων ξεκίνησε από το σχεδιασμό του προϊόντος, επομένως η επιλογή των σωστών υλικών ηλεκτροδίων, διαχωριστών και ηλεκτρολυτών είναι η πρώτη προτεραιότητα για τον ασφαλή σχεδιασμό της μπαταρίας.Για τα υλικά ανόδου των μπαταριών, τα τριμερή υλικά, το λίθιο μαγγάνιο και ο φωσφορικός σίδηρος λιθίου, που έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στο σχεδιασμό μπαταριών και απέδωσαν ικανοποιητική απόδοση, είναι πιο ασφαλή από το παραδοσιακό κοβαλτικό λίθιο και το νικέλιο λίθιο.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι δημοφιλείς επειδή έχουν μια σειρά από σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις ανταγωνιστικές τεχνολογίες:

● Είναι γενικά πολύ ελαφρύτερες από άλλους τύπους επαναφορτιζόμενων μπαταριών ίδιου μεγέθους.Τα ηλεκτρόδια μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι κατασκευασμένα από ελαφρύ λίθιο και άνθρακα.Το λίθιο είναι επίσης ένα εξαιρετικά αντιδραστικό στοιχείο, που σημαίνει ότι μπορεί να αποθηκευτεί πολλή ενέργεια στους ατομικούς του δεσμούς.Αυτό μεταφράζεται σε πολύ υψηλή ενεργειακή πυκνότητα για μπαταρίες ιόντων λιθίου.Εδώ είναι ένας τρόπος για να αποκτήσετε μια προοπτική σχετικά με την ενεργειακή πυκνότητα.Μια τυπική μπαταρία ιόντων λιθίου μπορεί να αποθηκεύσει 150 βατ-ώρες ηλεκτρικής ενέργειας σε 1 κιλό μπαταρίας.Μια μπαταρία NiMH (υδρίδιο νικελίου-μετάλλου) μπορεί να αποθηκεύσει ίσως 100 βατ-ώρες ανά κιλό, αν και 60 έως 70 βατ-ώρες μπορεί να είναι πιο τυπικές.Μια μπαταρία μολύβδου-οξέος μπορεί να αποθηκεύσει μόνο 25 βατώρες ανά κιλό.Χρησιμοποιώντας τεχνολογία μολύβδου-οξέος, χρειάζονται 6 κιλά για να αποθηκεύσετε την ίδια ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αντέξει μια μπαταρία ιόντων λιθίου 1 κιλού.Αυτή είναι μια τεράστια διαφορά [πηγή: Everything2.com ].

● Διατηρούν την ευθύνη τους.Ένα πακέτο μπαταριών ιόντων λιθίου χάνει μόνο περίπου το 5 τοις εκατό της φόρτισής του ανά μήνα, σε σύγκριση με απώλεια 20 τοις εκατό ανά μήνα για τις μπαταρίες NiMH.

● Δεν έχουν αποτέλεσμα μνήμης, πράγμα που σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να τις αποφορτίσετε εντελώς πριν τις επαναφορτίσετε, όπως συμβαίνει με ορισμένες άλλες χημικές μπαταρίες.

● Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να χειριστούν εκατοντάδες κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης.

● Αυτό δεν σημαίνει ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι άψογες.Έχουν επίσης μερικά μειονεκτήματα:

● Αρχίζουν να υποβαθμίζονται μόλις φύγουν από το εργοστάσιο.Θα διαρκέσουν μόνο δύο ή τρία χρόνια από την ημερομηνία κατασκευής είτε τα χρησιμοποιείτε είτε όχι.

● Είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις υψηλές θερμοκρασίες.Η θερμότητα κάνει τα πακέτα μπαταριών ιόντων λιθίου να υποβαθμίζονται πολύ πιο γρήγορα από ό,τι συνήθως.

● Εάν αποφορτίσετε πλήρως μια μπαταρία ιόντων λιθίου, είναι κατεστραμμένη.

● Μια μπαταρία ιόντων λιθίου πρέπει να διαθέτει ενσωματωμένο υπολογιστή για τη διαχείριση της μπαταρίας.Αυτό τα κάνει ακόμα πιο ακριβά από ό,τι είναι ήδη.

● Υπάρχει μια μικρή πιθανότητα, εάν μια μπαταρία ιόντων λιθίου αποτύχει, να πάρει φωτιά.

Ρύθμιση προτύπων που βασίζεται στην καινοτομία

Λόγω της πολυπλοκότητας του μηχανισμού ασφαλείας των μπαταριών ιόντων λιθίου, ειδικά του αντίκτυπου στην ασφάλεια μετά την επαναχρησιμοποίηση των μπαταριών, η διαδικασία κατανόησης της ασφάλειας των μπαταριών ιόντων λιθίου και ο καθορισμός των προτύπων της θα πρέπει να είναι σταδιακή και προοδευτική.Και η ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνικών εξωτερικού ελέγχου θα πρέπει επίσης να εξεταστεί.Ο Σου το πρότεινε ως ρύθμιση Μπαταρία ιόντων λιθίου Τα πρότυπα ασφαλείας είναι μια εξαιρετικά τεχνική εργασία, τόσο επαγγελματίες καθορισμού προτύπων από φορείς τυποποίησης μπαταριών όσο και τεχνικοί ειδικοί από τη βιομηχανία μπαταριών, χρήστες και τομείς ηλεκτρονικού ελέγχου θα πρέπει να συμμετέχουν στη διαδικασία, συμπεριλαμβανομένων εργασιών πειραματικής επαλήθευσης.

Ο ανώτερος μηχανικός από το China Electronics Standardization Institute, ο κ. Sun Chuanhao, είπε ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου επί του παρόντος μπορούν να χωριστούν σε τύπους ενέργειας και τύπους ισχύος.Καθώς αυτά τα δύο προϊόντα έχουν διαφορές ως προς τα υλικά και τις δομές σχεδιασμού, οι μέθοδοι δοκιμών και οι απαιτήσεις τους είναι ανόμοιες, ακόμη και υπό τις ίδιες συνθήκες ασφαλείας.Οι λεγόμενες φορητές μπαταρίες ανήκουν στον ενεργειακό τύπο, συμπεριλαμβανομένων των μπαταριών ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται σε κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και βιντεοκάμερες, ενώ η μπαταρία τύπου power είναι για ηλεκτρικά εργαλεία, ηλεκτρικά ποδήλατα και ηλεκτρικά οχήματα.

Σύμφωνα με τον ερευνητικό οργανισμό BloombergNEF, η σταθμισμένη μέση τιμή της μπαταρίας ιόντων λιθίου (που περιλαμβάνει την κυψέλη και τη συσκευασία) μειώθηκε κατά 85% από το 2010-18, φτάνοντας κατά μέσο όρο τα 176 $/kWh.Το BloombergNEF προβλέπει περαιτέρω ότι οι τιμές θα μειωθούν στα 94 $/kWh έως το 2024 και στα 62 $/kWh έως το 2030.

Αυτή η φθίνουσα καμπύλη κόστους έχει σημαντικές επιπτώσεις για κάθε εταιρεία που χρησιμοποιεί μπαταρίες στην υπηρεσία της ή για όσες έχουν ανάγκη αποθήκευσης ενέργειας (π.χ. παραγωγούς ηλεκτρικής ενέργειας).Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες πωλήσεις μπαταριών ιόντων λιθίου αφορούσαν τον τομέα των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, αλλά οι μελλοντικές πωλήσεις θα οδηγούνται όλο και περισσότερο από ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Τα περισσότερα αυτοκίνητα στους δρόμους σήμερα εξακολουθούν να χρησιμοποιούν μπαταρία μολύβδου-οξέος και κινητήρα εσωτερικής καύσης.Όμως, οι πωλήσεις ηλεκτρικών οχημάτων —που τροφοδοτούνται από μπαταρίες ιόντων λιθίου— έχουν υπερδεκαπλασιαστεί τα τελευταία πέντε χρόνια.Επιπλέον, όλο και περισσότερες χώρες θέτουν μελλοντικές απαγορεύσεις στα αυτοκίνητα που βασίζονται στην εσωτερική καύση, με την προσδοκία ότι τα ηλεκτρικά οχήματα θα κυριαρχήσουν τελικά στις προσωπικές μεταφορές.

Αυτό, φυσικά, σημαίνει πολύ μεγαλύτερη μελλοντική ζήτηση για μπαταρίες.Τόσο πολύ που η εταιρεία κατασκευής ηλεκτρικών οχημάτων Tesla, σε συνεργασία με την Panasonic, επενδύει δισεκατομμύρια δολάρια για την κατασκευή νέων εργοστασίων μπαταριών ιόντων λιθίου.Ωστόσο, οι αμερικανικοί παραγωγοί μπαταριών ιόντων λιθίου υστερούν σε μερίδιο αγοράς.

Μια σχετική αναπτυσσόμενη αγορά για μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι σε βαριές βιομηχανικές εφαρμογές, όπως ανυψωτικά οχήματα, σάρωθρα και πλυντήρια, εφαρμογές υποστήριξης εδάφους αεροδρομίων και οχήματα αυτόματης καθοδήγησης (AGV).Αυτές οι εξειδικευμένες εφαρμογές εξυπηρετούνταν ιστορικά από μπαταρίες μολύβδου-οξέος και κινητήρες εσωτερικής καύσης, αλλά τα οικονομικά έχουν αλλάξει γρήγορα υπέρ των μπαταριών ιόντων λιθίου.

Η Κίνα στη θέση του οδηγού

Σύμφωνα με ανάλυση του BloombergNEF, στις αρχές του 2019 υπήρχαν 316 γιγαβατώρες (GWh) παγκόσμιας ικανότητας παραγωγής κυψελών λιθίου.Η Κίνα κατέχει το 73% αυτής της χωρητικότητας, ακολουθούμενες από τις ΗΠΑ, πολύ πίσω στη δεύτερη θέση με το 12% της παγκόσμιας χωρητικότητας.

Η παγκόσμια χωρητικότητα προβλέπεται να αυξηθεί δυναμικά μέχρι το 2025, όταν το BloombergNEF προβλέπει 1.211 GWh παγκόσμιας δυναμικότητας.Η χωρητικότητα στις ΗΠΑ προβλέπεται να αυξηθεί, αλλά πιο αργά από την παγκόσμια χωρητικότητα.Έτσι, το μερίδιο των ΗΠΑ στην παγκόσμια παραγωγή κυψελών λιθίου προβλέπεται να συρρικνωθεί.

Η Tesla προσπαθεί να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα χτίζοντας τα δικά της εργοστάσια μπαταριών, αλλά για τις εταιρείες που προμηθεύουν ένα ευρύ φάσμα μπαταριών αυτού του τύπου, όπως η OneCharge με έδρα την Καλιφόρνια, η εύρεση τοπικών προμηθευτών έχει αποδειχθεί δύσκολη.Μίλησα πρόσφατα με τον Διευθύνοντα Σύμβουλο της OneCharge, Alex Pisarev, ο οποίος τόνισε τις προκλήσεις που έχει αντιμετωπίσει η εταιρεία του:

«Οι Αμερικανοί κατασκευαστές θα ήταν πρόθυμοι να χρησιμοποιήσουν κυψέλες ιόντων λιθίου που κατασκευάζονται στις ΗΠΑ», μου είπε ο Pisarev, «αλλά αυτό δεν είναι ρεαλιστικό σήμερα.Πρέπει λοιπόν να συνεχίσουμε να τα εισάγουμε από την Κίνα».

Η Κίνα ακολουθεί τον ίδιο δρόμο που έκανε στο παρελθόν με τους ηλιακούς συλλέκτες.Ενώ τα ηλιακά κύτταρα εφευρέθηκαν από τον Αμερικανό μηχανικό Russell Ohl, σήμερα η Κίνα κυριαρχεί στην παγκόσμια αγορά ηλιακών πάνελ.Τώρα η Κίνα επικεντρώνεται στον έλεγχο της παγκόσμιας παραγωγής μπαταριών ιόντων λιθίου.

Είναι προτιμότερο να έχουμε τις φθηνότερες δυνατές πράσινες τεχνολογίες, ακόμα κι αν αυτό σημαίνει παράδοση της κατασκευής σε άλλες χώρες;Οι χαμηλές τιμές των ηλιακών πάνελ έχουν συμβάλει στην αύξηση της ανάπτυξης νέων ηλιακών φωτοβολταϊκών, και αυτό, με τη σειρά του, έχει υποστηρίξει πολλές θέσεις εργασίας στις ΗΠΑ.Αλλά το μεγαλύτερο μέρος αυτών των πάνελ κατασκευάζονται στην Κίνα.Η κυβέρνηση Τραμπ προσπάθησε να το αντιμετωπίσει επιβάλλοντας δασμούς σε εισαγόμενα ηλιακά πάνελ, αλλά αυτοί οι δασμοί αντιτάχθηκαν σθεναρά από το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής βιομηχανίας των ΗΠΑ.

Η Κίνα έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα του φθηνού εργατικού δυναμικού, το οποίο της επέτρεψε να κυριαρχήσει σε πολλές μεταποιητικές βιομηχανίες.Αλλά η Κίνα έχει επίσης περισσότερα αποθέματα λιθίου και πολύ μεγαλύτερη παραγωγή λιθίου από τις ΗΠΑ Το 2018, η κινεζική παραγωγή λιθίου ήταν 8.000 μετρικοί τόνοι, τρίτη μεταξύ όλων των χωρών και σχεδόν δέκα φορές η παραγωγή λιθίου στις ΗΠΑ.Τα κινεζικά αποθέματα λιθίου το 2018 ήταν ένα εκατομμύριο μετρικοί τόνοι, σχεδόν 30 φορές τα επίπεδα των ΗΠΑ.

The Path Forward

Οι τάσεις σηματοδοτούν ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου θα εκτοπίζουν όλο και περισσότερο τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος στους τομείς των μεταφορών και του βαρέως εξοπλισμού.Αυτή είναι μια κρίσιμη εξέλιξη σε έναν κόσμο που παλεύει με ρεκόρ εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα.

Αλλά με ένα τέτοιο πλεονέκτημα τόσο στο κόστος παραγωγής όσο και στη διαθεσιμότητα πρώτων υλών, μπορούν οι ΗΠΑ να ανταγωνιστούν την Κίνα στην παγκόσμια αγορά;Εάν όχι, καθώς ο αυξανόμενος αριθμός μπαταριών ιόντων λιθίου φτάνει στο τέλος της ωφέλιμης ζωής τους, μπορούν οι ΗΠΑ να αναπτύξουν μια ανταγωνιστική αγορά για ανακυκλωμένο λίθιο;

Αυτά είναι σημαντικά ερωτήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν.

Δεν είναι σαφές πώς η Κίνα θα αντιμετωπίσει τέτοιες προκλήσεις, αλλά δεδομένης της αδιάκοπης επιδίωξης του λιθίου και της στρατηγικής σημασίας που αποδίδει στο μέταλλο, αναμφίβολα θα βρεθούν λύσεις.Από πολλές απόψεις, η αγκαλιά της Κίνας για τις πράσινες μεταφορές είναι θετική, καθώς διευρύνει το ενδιαφέρον για τον κλάδο και ωθεί τα ανταγωνιστικά έθνη να προσπαθήσουν να καλύψουν τη διαφορά όσον αφορά το μερίδιό τους στην προσφορά λιθίου και στην αγορά επαναφορτιζόμενων μπαταριών.Ο κίνδυνος είναι ότι συνεχίζουν να υστερούν, αφήνοντας την Κίνα με το μονοπώλιο σε αυτό που θα μπορούσε σύντομα να γίνει κύριος τομέας μεταφορών.

Ακολουθησε με Κελάδημα ή LinkedIn .Ρίξτε μια ματιά στο δικό μου δικτυακός τόπος ή κάποια άλλη δουλειά μου εδώ.