Miks saab Hiina domineerida liitiumioonakude tootmises?

Kas liitiumioonaku on ideaalne?

Paljude aastate jooksul oli nikkel-kaadmium olnud ainuke sobiv aku kaasaskantavatele seadmetele alates traadita sidest kuni mobiilse andmetöötluseni.Nikkel-metallhüdriid ja liitiumioon tekkisid 1990. aastate alguses võideldes nina-nina vastu, et saada klientide heakskiitu.Tänapäeval on liitiumioon kõige kiiremini kasvav ja paljutõotavam akukeemia.

Maailm elektriseerub üha enam.Arengumaad mitte ainult ei suurenda oma elanikkonnale elektri kättesaadavust, vaid ka olemasoleva transpordi infrastruktuuri elektrifitseerimine toimub kiires tempos.Aastaks 2040 töötaks prognooside kohaselt üle poole teedel liikuvatest autodest elektriga.

Patareide lühiajalugu

Patareid on olnud meie igapäevaelu osaks pikka aega.Maailma esimese tõelise aku leiutas 1800. aastal Itaalia füüsik Alessandro Volta.Leiutis kujutas endast märkimisväärset läbimurret, kuid sellest ajast alates on olulisi uuendusi tehtud vaid käputäis.

Esimene neist oli pliiaku, mis leiutati aastal 1859. See oli esimene laetav aku ja on siiani kõige levinum aku, mida sisepõlemismootorite käivitamiseks kasutatakse.

Viimase kahe sajandi jooksul on olnud uuenduslikke akukujundusi, kuid tõeline mängumuutja leiutati alles 1980. aastal.See oli siis, kui läbimurded Oxfordi ülikoolis ja Stanfordi ülikoolis viisid liitiumioonaku väljatöötamiseni.Sony turustas esimese liitiumioonaku 1991. aastal.

Mis on liitiumis nii erilist?

Liitium on mitmel viisil eriline metall.See on kerge ja pehme — nii pehme, et seda saab kööginoaga lõigata ja nii väikese tihedusega, et ujub vee peal.Samuti on see tahke laias temperatuurivahemikus, ühe madalaima sulamistemperatuuriga kõigist metallidest ja kõrge keemistemperatuuriga.

Sarnaselt teiste leelismetallidega, naatrium, reageerib liitium suurepärasel kujul veega.Li ja H2O kombinatsioon moodustab liitiumhüdroksiidi ja vesiniku, mis tavaliselt puhkevad punaseks leekiks.

Sellel on palju aspekte Liitium-ioonaku ohutus kogu selle projekteerimisprotsessis, sealhulgas ohutu aku struktuur, ohutud toorained, kaitsefunktsioonid ja ohutussertifikaadid.China Electronics Newsi intervjueerides ütles peainseneri asetäitja Su Jinran, et tooteohutus sai alguse toote disainist, mistõttu on õigete elektroodimaterjalide, separaatorite ja elektrolüütide valimine aku ohutu disaini jaoks esmatähtis.Aku anoodimaterjalide puhul on kolmekomponentsed materjalid, mangaanliitium ja liitiumraudfosfaat, mida on laialdaselt kasutatud aku kujundamisel ja mis on andnud rahuldava jõudluse, turvalisemad kui traditsiooniline liitiumkobaltaat ja nikkelliitium.

Liitiumioonakud on populaarsed, kuna neil on konkureerivate tehnoloogiate ees mitmeid olulisi eeliseid:

● Need on üldiselt palju kergemad kui muud tüüpi sama suurusega laetavad akud.Liitiumioonaku elektroodid on valmistatud kergest liitiumist ja süsinikust.Liitium on ka väga reaktiivne element, mis tähendab, et selle aatomisidemetesse saab salvestada palju energiat.See tähendab liitiumioonakude väga suurt energiatihedust.Siin on viis energiatiheduse perspektiivi saamiseks.Tüüpiline liitiumioonaku suudab 1 kilogrammi akuga salvestada 150 vatt-tundi elektrit.NiMH (nikkel-metallhüdriid) aku mahutab võib-olla 100 vatt-tundi kilogrammi kohta, kuigi tüüpilisem võib olla 60–70 vatt-tundi.Pliiaku suudab salvestada vaid 25 vatt-tundi kilogrammi kohta.Plii-happetehnoloogiat kasutades kulub 6 kilogrammi sama energiakoguse salvestamiseks, millega 1-kilogrammine liitiumioonaku suudab hakkama saada.See on tohutu erinevus [allikas: Everything2.com ].

● Nad peavad oma vastutust.Liitiumioonaku kaotab kuus vaid umbes 5 protsenti oma laetusest, võrreldes NiMH-akude 20-protsendilise kaotusega kuus.

● Neil puudub mäluefekt, mis tähendab, et te ei pea neid enne laadimist täielikult tühjendama, nagu mõne muu akukeemia puhul.

● Liitiumioonakud saavad hakkama sadade laadimis-/tühjenemistsükleid.

● See ei tähenda, et liitiumioonakud oleksid veatud.Neil on ka mõned puudused:

● Need hakkavad lagunema kohe pärast tehasest lahkumist.Need kestavad ainult kaks või kolm aastat alates valmistamiskuupäevast olenemata sellest, kas te neid kasutate või mitte.

● Need on kõrgete temperatuuride suhtes äärmiselt tundlikud.Kuumus põhjustab liitiumioonakude lagunemise palju kiiremini kui tavaliselt.

● Kui te liitiumioonaku täielikult tühjendate, on see rikutud.

● Liitiumioonakul peab aku haldamiseks olema pardaarvuti.See muudab need veelgi kallimaks, kui nad juba on.

● On väike võimalus, et liitiumioonaku purunemisel süttib see leeki.

Innovatsioonipõhine standardi seadistus

Liitium-ioonakude ohutusmehhanismi keerukuse tõttu, eriti selle mõju tõttu ohutusele pärast akude taaskasutamist, peaks liitiumioonakude ohutuse mõistmise ja nende standardite kehtestamise protsess olema järk-järguline ja progressiivne.Ja kaaluda tuleks ka väliste kontrollitehnikate väljatöötamist ja rakendamist.Su soovitas seda seadistusena Liitium-ioonaku ohutusstandardite koostamine on väga tehniline töö, protsessis, sealhulgas eksperimentaalsetes taatlustöödes, peaksid osalema nii akude standardimisasutuste standardite kehtestamise spetsialistid kui ka akutööstuse, kasutajate ja elektrooniliste juhtimisvaldkondade tehnilised spetsialistid.

Hiina elektroonikastandardi instituudi vaneminsener Sun Chuanhao ütles, et liitiumioonakud võib praegu jagada energiatüüpideks ja võimsustüüpideks.Kuna neil kahel tootel on erinevad materjalid ja konstruktsioonistruktuurid, on nende katsemeetodid ja nõuded erinevad isegi samade ohutustingimuste korral.Nn kaasaskantavad akud kuuluvad energiatüüpi, sealhulgas liitiumioonakud, mida kasutatakse mobiiltelefonides, sülearvutites, digikaamerates ja videokaamerates, võimsustüüpi akud aga elektritööriistade, elektrijalgrataste ja elektrisõidukite jaoks.

Uurimisorganisatsiooni BloombergNEF andmetel langes keskmise mahuga kaalutud liitiumioonaku hind (mis sisaldab elementi ja akut) aastatel 2010-18 85%, ulatudes keskmiselt 176 dollarini kWh kohta.Lisaks prognoosib BloombergNEF, et hinnad langevad 2024. aastaks 94 dollarile kWh kohta ja 2030. aastaks 62 dollarile kWh kohta.

Sellel langeval kulukõveral on oluline mõju igale ettevõttele, kes kasutab oma teenustes akusid, või neile, kellel on vajadus energiat salvestada (nt elektritootjad).Seni on suurem osa liitium-ioonakude müügist olnud olmeelektroonika sektoris, kuid tulevane müük on järjest enam elektriautode toel.

Enamik tänapäeval maanteedel liikuvaid autosid kasutab endiselt pliiakut ja sisepõlemismootorit.Kuid liitiumioonakudega töötavate elektrisõidukite müük on viimase viie aasta jooksul kasvanud üle kümne korra.Üha enam riike kehtestavad tulevikus sisepõlemispõhiste autode kasutamise keelud, eeldades, et elektrisõidukid hakkavad lõpuks isiklikus transpordis domineerima.

See tähendab loomulikult palju suuremat nõudlust akude järele tulevikus.Nii palju, et elektrisõidukite tootja Tesla investeerib koostöös Panasonicuga miljardeid dollareid uute liitiumioonakude tehaste ehitamiseks.Sellest hoolimata jäävad USA liitiumioonakude tootjad turuosast maha.

Liitium-ioonakude kasvuturg on seotud raskete tööstuslike rakendustega, nagu tõstukid, pühkimis- ja puhastusmasinad, lennujaama maapealsed tugirakendused ja automaatsed juhitavad sõidukid.Neid niširakendusi on ajalooliselt teenindanud pliiakud ja sisepõlemismootorid, kuid majandus on kiiresti nihkunud liitiumioonakude kasuks.

Hiina juhiistmel

BloombergNEF-i analüüsi kohaselt oli 2019. aasta alguses globaalset liitiumelementide tootmisvõimsust 316 gigavatt-tundi (GWh).Hiinas on koduks 73% sellest võimsusest, millele järgneb USA, teisel kohal kaugel maha 12% ülemaailmsest tootmisvõimsusest.

Prognooside kohaselt kasvab ülemaailmne võimsus 2025. aastaks jõuliselt, kui BloombergNEF prognoosib ülemaailmseks võimsuseks 1211 GWh.Prognoositakse, et USA tootmisvõimsus kasvab, kuid aeglasemalt kui ülemaailmne võimsus.Seega prognoositakse USA osakaalu ülemaailmses liitiumelementide tootmises kahanemist.

Tesla püüab seda probleemi lahendada, ehitades oma akutehaseid, kuid ettevõtete jaoks, kes tarnivad laias valikus seda tüüpi akusid, nagu Californias asuv OneCharge, on kohalike tarnijate leidmine osutunud keeruliseks.Rääkisin hiljuti OneCharge'i tegevjuhi Alex Pisareviga, kes tõi esile väljakutsed, millega tema ettevõte silmitsi on seisnud:

"Ameerika tootjad kasutaksid hea meelega USA-s toodetud liitiumioonelemente," ütles Pisarev, "kuid see pole tänapäeval realistlik.Seega peame jätkama nende importi Hiinast.

Hiina võtab sama teed, mida ta tegi varem päikesepaneelidega.Kui päikesepatareid leiutas Ameerika insener Russell Ohl, siis tänapäeval domineerib ülemaailmsel päikesepaneelide turul Hiina.Nüüd on Hiina keskendunud liitiumioonakude maailma tootmise kontrollimisele.

Kas eelistatakse võimalikult odavaid rohelisi tehnoloogiaid, isegi kui see tähendab tootmise loovutamist teistele riikidele?Päikesepaneelide madalad hinnad on aidanud plahvatuslikult kaasa tuua uue päikeseenergia kasvu ning see on omakorda toetanud paljusid USA töökohti.Kuid suurem osa neist paneelidest on valmistatud Hiinas.Trumpi administratsioon on püüdnud seda probleemi lahendada, kehtestades imporditud päikesepaneelidele tariifid, kuid enamik USA päikeseenergiatööstusest on neile tariifidele jõuliselt vastu seisnud.

Hiina suureks eeliseks on odav tööjõud, mis on võimaldanud tal domineerida paljudes töötlevas tööstuses.Kuid Hiinal on ka rohkem liitiumivarusid ja palju suurem liitiumitootmine kui USA-l 2018. aastal oli Hiina liitiumitoodang 8000 tonni, mis on kõigi riikide seas kolmas ja USA liitiumitoodang peaaegu kümme korda suurem.Hiina liitiumivarud olid 2018. aastal miljon tonni, mis on peaaegu 30 korda suurem kui USA tasemed.

Tee edasi

Suundumused näitavad, et liitium-ioonakud tõrjuvad transpordi- ja rasketehnikasektoris üha enam välja pliiakud.See on ülioluline areng maailmas, mis võitleb rekordilise süsinikdioksiidi heitkogustega.

Kuid sellise eelisega nii tootmiskuludes kui ka tooraine kättesaadavuses suudab USA Hiinaga maailmaturul konkureerida?Kui ei, siis kuna üha rohkem liitiumioonakusid jõuab oma kasutusea lõppu, kas USA suudab välja töötada konkurentsivõimelise taaskasutatud liitiumi turu?

Need on olulised küsimused, mis vajavad lahendamist.

On ebaselge, kuidas Hiina selliste väljakutsetega toime tuleb, kuid arvestades tema järeleandmatut liitiumi poole püüdlemist ja metallile omistatavat strateegilist tähtsust, leitakse kahtlemata lahendused.Paljuski on Hiina rohelise transpordi omaksvõtt hea, kuna see suurendab huvi selle sektori vastu ja ärgitab konkureerivaid riike püüdma järele jõuda oma osakaalu poolest liitiumivarustuses ja laetavate akude turul.Oht seisneb selles, et nad jäävad jätkuvalt maha, jättes Hiinale monopoli selle üle, mis võib peagi muutuda peamiseks transpordisektoriks.

Jälgi mind Twitter või LinkedIn .Vaadake minu veebisait või mõni muu töö siin.