Por qué China puede dominar la producción de baterías de iones de litio

¿Es el ion de litio la batería ideal?

Durante muchos años, el níquel-cadmio había sido la única batería adecuada para equipos portátiles, desde comunicaciones inalámbricas hasta computación móvil.El hidruro metálico de níquel y el ion de litio surgieron a principios de la década de 1990, luchando cara a cara para ganar la aceptación del cliente.Hoy en día, el ion-litio es la química de batería más prometedora y de más rápido crecimiento.

El mundo está cada vez más electrificado.Los países en desarrollo no solo están aumentando la disponibilidad de electricidad para sus poblaciones, sino que la electrificación de la infraestructura de transporte existente avanza a un ritmo acelerado.Para 2040, se prevé que más de la mitad de los automóviles en las carreteras funcionen con electricidad.

Una breve historia de las baterías

Las baterías han sido parte de nuestra vida diaria durante mucho tiempo.La primera batería real del mundo fue inventada en 1800 por el físico italiano Alessandro Volta.La invención representó un avance notable, pero desde entonces ha habido solo un puñado de innovaciones significativas.

La primera fue la batería de plomo-ácido, que se inventó en 1859. Esta fue la primera batería recargable y sigue siendo la batería más común utilizada para arrancar motores de combustión interna en la actualidad.

Ha habido algunos diseños de baterías innovadores en los últimos dos siglos, pero no fue hasta 1980 que se inventó un verdadero cambio de juego.Fue entonces cuando los avances en la Universidad de Oxford y la Universidad de Stanford llevaron al desarrollo de la batería de iones de litio.Sony comercializó la primera batería de iones de litio en 1991.

¿Qué tiene de especial el litio?

El litio es un metal especial en muchos sentidos.Es ligero y suave, tan suave que se puede cortar con un cuchillo de cocina y tiene una densidad tan baja que flota en el agua.También es sólido en una amplia gama de temperaturas, con uno de los puntos de fusión más bajos de todos los metales y un punto de ebullición alto.

Al igual que su compañero de metal alcalino, el sodio, el litio reacciona con el agua en forma llamativa.La combinación de Li y H2O forma hidróxido de litio e hidrógeno, que normalmente estallan en llamas rojas.

Hay muchos aspectos a Batería de iones de litio seguridad en todos sus procesos de diseño, incluida la estructura segura de la batería, las materias primas seguras, las funciones de protección y las certificaciones de seguridad.Cuando fue entrevistado por China Electronics News, el Sr. Su Jinran, ingeniero jefe adjunto, dijo que la seguridad del producto comenzó en el diseño del producto, por lo tanto, seleccionar los materiales de electrodo, separadores y electrolitos correctos es la primera prioridad para el diseño seguro de la batería.Para los materiales del ánodo de la batería, los materiales ternarios, el litio manganeso y el fosfato de hierro y litio, que se han utilizado ampliamente en el diseño de baterías y han dado un rendimiento satisfactorio, son más seguros que el cobaltato de litio tradicional y el níquel litio.

Las baterías de iones de litio son populares porque tienen una serie de ventajas importantes sobre las tecnologías de la competencia:

● Suelen ser mucho más ligeras que otros tipos de pilas recargables del mismo tamaño.Los electrodos de una batería de iones de litio están hechos de litio y carbono livianos.El litio también es un elemento altamente reactivo, lo que significa que se puede almacenar mucha energía en sus enlaces atómicos.Esto se traduce en una densidad de energía muy alta para las baterías de iones de litio.Aquí hay una manera de obtener una perspectiva sobre la densidad de energía.Una batería típica de iones de litio puede almacenar 150 vatios-hora de electricidad en 1 kilogramo de batería.Un paquete de baterías de NiMH (hidruro de níquel-metal) puede almacenar quizás 100 vatios-hora por kilogramo, aunque lo más típico podría ser de 60 a 70 vatios-hora.Una batería de plomo-ácido puede almacenar solo 25 vatios-hora por kilogramo.Utilizando la tecnología de plomo-ácido, se necesitan 6 kilogramos para almacenar la misma cantidad de energía que puede manejar una batería de iones de litio de 1 kilogramo.Esa es una gran diferencia [fuente: todo2.com ].

● Mantienen su cargo.Un paquete de baterías de iones de litio pierde solo alrededor del 5 por ciento de su carga por mes, en comparación con una pérdida del 20 por ciento por mes para las baterías de NiMH.

● No tienen efecto memoria, lo que significa que no es necesario descargarlas por completo antes de recargarlas, como ocurre con otras baterías químicas.

● Las baterías de iones de litio pueden manejar cientos de ciclos de carga/descarga.

● Eso no quiere decir que las baterías de iones de litio sean perfectas.También tienen algunas desventajas:

● Comienzan a degradarse tan pronto como salen de la fábrica.Solo durarán dos o tres años a partir de la fecha de fabricación, ya sea que los use o no.

● Son extremadamente sensibles a las altas temperaturas.El calor hace que los paquetes de baterías de iones de litio se degraden mucho más rápido de lo normal.

● Si descarga completamente una batería de iones de litio, se arruina.

● Un paquete de baterías de iones de litio debe tener una computadora integrada para administrar la batería.Esto los hace aún más caros de lo que ya son.

● Existe una pequeña posibilidad de que, si falla una batería de iones de litio, se incendie.

Establecimiento de normas basadas en la innovación

Debido a la complejidad del mecanismo de seguridad de las baterías de iones de litio, especialmente el impacto en la seguridad después de reutilizar las baterías, el proceso de comprensión de la seguridad de las baterías de iones de litio y el establecimiento de sus estándares debe ser gradual y progresivo.Y también se debe considerar el desarrollo y aplicación de técnicas de control externo.Su sugirió que como escenario Batería de iones de litio estándares de seguridad es un trabajo altamente técnico, tanto los profesionales de establecimiento de estándares de los organismos de estandarización de baterías como los especialistas técnicos de la industria de baterías, los usuarios y las áreas de control electrónico deben participar en el proceso, incluidos los trabajos de verificación experimental.

El ingeniero senior del Instituto de Normalización Electrónica de China, el Sr. Sun Chuanhao, dijo que las baterías de iones de litio actualmente se pueden dividir en tipos de energía y tipos de potencia.Como estos dos productos tienen diferencias en materiales y estructuras de diseño, sus métodos de prueba y requisitos son diferentes, incluso bajo las mismas condiciones de seguridad.Las llamadas baterías portátiles pertenecen al tipo de energía, incluidas las baterías de iones de litio utilizadas en teléfonos móviles, computadoras portátiles, cámaras digitales y cámaras de video, mientras que la batería de tipo de potencia es para herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas y vehículos eléctricos.

Según la organización de investigación BloombergNEF, el precio promedio ponderado por volumen del paquete de baterías de iones de litio (que incluye la celda y el paquete) cayó un 85 % entre 2010 y 2018, alcanzando un promedio de $176/kWh.BloombergNEF proyecta además que los precios caerán a $94/kWh para 2024 y $62/kWh para 2030.

Esta curva de costos decrecientes tiene implicaciones importantes para cualquier empresa que utilice baterías en su servicio, o para aquellas que tengan la necesidad de almacenar energía (por ejemplo, productores de energía).Hasta la fecha, la mayoría de las ventas de baterías de iones de litio se han realizado en el sector de la electrónica de consumo, pero las ventas futuras estarán cada vez más impulsadas por los automóviles eléctricos.

La mayoría de los automóviles que circulan hoy en día todavía utilizan una batería de plomo-ácido y un motor de combustión interna.Pero las ventas de vehículos eléctricos, que funcionan con baterías de iones de litio, se han multiplicado por más de diez en los últimos cinco años.Además, cada vez más países están imponiendo futuras prohibiciones a los automóviles basados ​​en combustión interna, con la expectativa de que los vehículos eléctricos finalmente dominen el transporte personal.

Esto, por supuesto, significa una demanda futura mucho mayor de baterías.Tanto es así que el fabricante de vehículos eléctricos Tesla, en asociación con Panasonic, está invirtiendo miles de millones de dólares para construir nuevas fábricas de baterías de iones de litio.Sin embargo, los productores de baterías de iones de litio de EE. UU. se están quedando atrás en la cuota de mercado.

Un mercado de crecimiento relacionado para las baterías de iones de litio se encuentra en aplicaciones industriales pesadas, como carretillas elevadoras, barredoras y fregadoras, aplicaciones de apoyo en tierra en aeropuertos y vehículos guiados automáticos (AGV).Históricamente, estas aplicaciones de nicho han sido atendidas por baterías de plomo-ácido y motores de combustión interna, pero la economía se ha desplazado rápidamente a favor de las baterías de iones de litio.

China en el asiento del conductor

Según un análisis de BloombergNEF, a principios de 2019 había 316 gigavatios-hora (GWh) de capacidad global de fabricación de celdas de litio.China alberga el 73 % de esta capacidad, seguida por EE. UU., muy por detrás en el segundo lugar con el 12 % de la capacidad mundial.

Se proyecta que la capacidad global crezca con fuerza para 2025 cuando BloombergNEF pronostique 1211 GWh de capacidad global.Se proyecta que la capacidad en los EE. UU. crezca, pero más lentamente que la capacidad global.Por lo tanto, se proyecta que la participación de los EE. UU. en la fabricación mundial de celdas de litio se reduzca.

Tesla está tratando de abordar este problema mediante la construcción de sus propias fábricas de baterías, pero para las empresas que suministran una amplia gama de este tipo de baterías, como OneCharge, con sede en California, encontrar proveedores locales ha resultado ser un desafío.Recientemente hablé con el CEO de OneCharge, Alex Pisarev, quien destacó los desafíos que su empresa ha enfrentado:

“Los fabricantes estadounidenses estarían felices de usar celdas de iones de litio fabricadas en EE. UU.”, me dijo Pisarev, “pero esto no es realista hoy en día.Así que tenemos que seguir importándolos de China”.

China está tomando el mismo camino que tomó anteriormente con los paneles solares.Si bien las células solares fueron inventadas por el ingeniero estadounidense Russell Ohl, hoy en día China domina el mercado mundial de paneles solares.Ahora China se centra en controlar la producción mundial de baterías de iones de litio.

¿Es preferible tener las tecnologías verdes más baratas posibles, aunque eso signifique ceder la fabricación a otros países?Los bajos precios de los paneles solares han ayudado a impulsar una explosión del crecimiento de la nueva energía solar fotovoltaica y eso, a su vez, ha respaldado muchos empleos en los EE. UU.Pero la mayor parte de esos paneles se fabrican en China.La Administración Trump ha intentado abordar esto mediante la imposición de aranceles a los paneles solares importados, pero la mayoría de la industria solar de EE. UU. se ha opuesto enérgicamente a estos aranceles.

China tiene una gran ventaja de mano de obra barata, lo que le ha permitido dominar muchas industrias manufactureras.Pero China también tiene más reservas de litio y una producción de litio mucho mayor que EE. UU. En 2018, la producción de litio de China fue de 8.000 toneladas métricas, el tercero entre todos los países y casi diez veces la producción de litio de EE. UU.Las reservas de litio de China en 2018 fueron de un millón de toneladas métricas, casi 30 veces los niveles de EE. UU.

El camino a seguir

Las tendencias indican que las baterías de iones de litio desplazarán cada vez más a las baterías de plomo-ácido en los sectores de transporte y equipos pesados.Este es un desarrollo crítico en un mundo que lidia con emisiones récord de dióxido de carbono.

Pero con tal ventaja tanto en costos de fabricación como en disponibilidad de materia prima, ¿puede Estados Unidos competir con China en el mercado mundial?De lo contrario, a medida que un número creciente de baterías de iones de litio lleguen al final de su vida útil, ¿puede EE. UU. desarrollar un mercado competitivo para el litio reciclado?

Estas son preguntas importantes que deben abordarse.

No está claro cómo China enfrentará tales desafíos, pero dada su incesante búsqueda de litio y la importancia estratégica que le otorga al metal, sin duda se encontrarán soluciones.En muchos sentidos, la adopción del transporte ecológico por parte de China es algo bueno, ya que amplía el interés en el sector y estimula a las naciones competidoras a tratar de ponerse al día en términos de su participación en el suministro de litio y el mercado de baterías recargables.El peligro es que sigan rezagados, dejando a China con el monopolio de lo que pronto podría convertirse en un sector de transporte convencional.

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