Miért uralhatja Kína a lítium-ion akkumulátorok gyártását?

A lítium-ion az ideális akkumulátor?

Sok éven át a nikkel-kadmium volt az egyetlen alkalmas akkumulátor a hordozható berendezésekhez, a vezeték nélküli kommunikációtól a mobil számítástechnikáig.A nikkel-fém-hidrid és a lítium-ion megjelentek Az 1990-es évek elején, orr-orr elleni küzdelemben, hogy elnyerjék az ügyfelek elfogadását.Ma a lítium-ion a leggyorsabban növekvő és legígéretesebb akkumulátorkémia.

A világ egyre inkább felvillanyozódik.A fejlődő országok nemcsak az elektromos áram elérhetőségét növelik lakosságuk számára, hanem a meglévő közlekedési infrastruktúra villamosítása is gyors ütemben halad.Az előrejelzések szerint 2040-re az utakon közlekedő autók több mint fele elektromos árammal fog működni.

Az akkumulátorok rövid története

Az akkumulátorok hosszú ideje mindennapi életünk részét képezik.A világ első igazi akkumulátorát Alessandro Volta olasz fizikus találta fel 1800-ban.A találmány figyelemre méltó áttörést jelentett, de azóta csak néhány jelentős újítás született.

Az első az ólom-savas akkumulátor volt, amelyet 1859-ben találtak fel. Ez volt az első újratölthető akkumulátor, és még ma is a legelterjedtebb akkumulátor, amelyet belső égésű motorok indítására használnak.

Az elmúlt két évszázadban született néhány innovatív akkumulátor-konstrukció, de csak 1980-ban találtak fel egy igazi játékváltót.Ekkor az Oxfordi Egyetemen és a Stanford Egyetemen elért áttörések a lítium-ion akkumulátor kifejlesztéséhez vezettek.A Sony 1991-ben hozta forgalomba az első lítium-ion akkumulátort.

Mi olyan különleges a lítiumban?

A lítium sok szempontból különleges fém.Könnyű és puha – olyan puha, hogy konyhakéssel vágható, és olyan alacsony a sűrűsége, hogy lebeg a vízen.Széles hőmérséklet-tartományban is szilárd, a fémek közül az egyik legalacsonyabb olvadáspontja és magas forráspontja.

Az alkálifémekhez hasonlóan a nátriumhoz hasonlóan a lítium is mutatós formában reagál a vízzel.A Li és a H2O kombinációja lítium-hidroxidot és hidrogént képez, amelyek jellemzően vörös lángra lobbannak.

Sok szempontja van Lítium-ion akkumulátor biztonság a tervezési folyamatok során, beleértve a biztonságos akkumulátorszerkezetet, a biztonságos nyersanyagokat, a védelmi funkciókat és a biztonsági tanúsítványokat.A China Electronics News interjúja során Su Jinran úr, a főmérnök-helyettes elmondta, hogy a termékbiztonság a terméktervezésben kezdődött, ezért a megfelelő elektródaanyagok, szeparátorok és elektrolitok kiválasztása a biztonságos akkumulátortervezés első számú prioritása.Az akkumulátor-anód anyagok esetében a háromkomponensű anyagok, a mangán-lítium és a lítium-vas-foszfát, amelyeket széles körben használtak az akkumulátorok tervezésében, és amelyek kielégítő teljesítményt nyújtottak, biztonságosabbak, mint a hagyományos lítium-kobaltát és nikkel-lítium.

A lítium-ion akkumulátorok azért népszerűek, mert számos fontos előnnyel rendelkeznek a versenytárs technológiákkal szemben:

● Általában sokkal könnyebbek, mint az azonos méretű más típusú újratölthető akkumulátorok.A lítium-ion akkumulátor elektródái könnyű lítiumból és szénből készülnek.A lítium emellett nagyon reaktív elem, ami azt jelenti, hogy atomi kötéseiben sok energia tárolható.Ez nagyon nagy energiasűrűséget jelent a lítium-ion akkumulátorok esetében.Itt van egy módja annak, hogy perspektívát kapjunk az energiasűrűségről.Egy tipikus lítium-ion akkumulátor 150 wattóra áramot képes tárolni 1 kilogramm akkumulátorban.Egy NiMH (nikkel-fém-hidrid) akkumulátor talán 100 wattórát képes tárolni kilogrammonként, bár a 60-70 wattóra jellemzőbb lehet.Egy ólom-savas akkumulátor kilogrammonként mindössze 25 wattórát képes tárolni.Az ólom-savas technológiát alkalmazva 6 kilogramm szükséges ugyanannyi energia tárolásához, mint amennyit egy 1 kilogrammos lítium-ion akkumulátor elbír.Ez óriási különbség [forrás: Everything2.com ].

● Tartják felelősségüket.A lítium-ion akkumulátorcsomag havonta csak körülbelül 5 százalékot veszít a töltöttségéből, szemben a NiMH akkumulátorok havi 20 százalékos veszteségével.

● Nincs memóriaeffektusuk, ami azt jelenti, hogy nem kell teljesen lemeríteni őket az újratöltés előtt, mint más akkumulátorok esetében.

● A lítium-ion akkumulátorok több száz töltési/kisütési ciklust képesek kezelni.

● Ez nem jelenti azt, hogy a lítium-ion akkumulátorok hibátlanok.Van néhány hátrányuk is:

● Amint elhagyják a gyárat, elkezdenek lebomlani.A gyártás időpontjától számítva csak két vagy három évig tartanak fenn, függetlenül attól, hogy használja őket, vagy sem.

● Rendkívül érzékenyek a magas hőmérsékletre.A hő hatására a lítium-ion akkumulátorcsomagok sokkal gyorsabban bomlanak le, mint általában.

● Ha teljesen lemeríti a lítium-ion akkumulátort, az tönkremegy.

● A lítium-ion akkumulátorcsomagnak fedélzeti számítógéppel kell rendelkeznie az akkumulátor kezeléséhez.Ez még drágábbá teszi őket, mint amilyenek már vannak.

● Ha egy lítium-ion akkumulátorcsomag meghibásodik, akkor kicsi az esélye annak, hogy lángra lobban.

Innováció alapú standard beállítás

A lítium-ion akkumulátor biztonsági mechanizmusának összetettsége miatt, különösen az akkumulátorok újrahasználata utáni biztonságra gyakorolt ​​hatás miatt, a lítium-ion akkumulátorok biztonságának megértésének és a szabványok meghatározásának fokozatosnak és progresszívnek kell lennie.És mérlegelni kell a külső ellenőrzési technikák fejlesztését és alkalmazását is.Su ezt javasolta beállításnak Lítium-ion akkumulátor A biztonsági szabványok kidolgozása rendkívül technikai jellegű, a folyamatban – beleértve a kísérleti ellenőrzési munkákat is – részt kell venniük az akkumulátor-szabványügyi testületek szabványosítási szakembereinek, valamint az akkumulátoripar, a felhasználók és az elektronikus ellenőrzési területek műszaki szakembereinek.

A Kínai Elektronikai Szabványügyi Intézet vezető mérnöke, Sun Chuanhao elmondta, hogy a lítium-ion akkumulátorok jelenleg energia- és teljesítménytípusokra oszthatók.Mivel e két termék anyagában és szerkezeti felépítésében eltérőek, vizsgálati módszereik és követelményeik még azonos biztonsági feltételek mellett is eltérőek.Az úgynevezett hordozható akkumulátorok az energiatípusba tartoznak, ideértve a mobiltelefonokban, laptopokban, digitális fényképezőgépekben és videokamerákban használt lítium-ion akkumulátorokat, míg a teljesítmény típusú akkumulátorok az elektromos kéziszerszámokhoz, elektromos kerékpárokhoz és elektromos járművekhez valók.

A BloombergNEF kutatószervezet szerint a lítium-ion akkumulátorcsomag mennyiséggel súlyozott átlagos ára (amely tartalmazza az elemet és a csomagot is) 85%-kal csökkent 2010-18-hoz képest, átlagosan elérve a 176 dollár/kWh-t.A BloombergNEF előrejelzése szerint az árak 2024-re 94 dollár/kWh-ra, 2030-ra pedig 62 dollárra esnek.

Ez a csökkenő költséggörbe fontos következményekkel jár minden olyan vállalat számára, amely akkumulátorokat használ a szolgáltatásaiban, vagy azokra, amelyeknek energiatárolásra van szükségük (pl. áramtermelők).Eddig a legtöbb lítium-ion akkumulátort a fogyasztói elektronikai szektorban értékesítették, de a jövőben egyre inkább az elektromos autók vezérlik majd az eladásokat.

Az utakon közlekedő autók többsége ma is ólom-savas akkumulátort és belső égésű motort használ.A lítium-ion akkumulátorral hajtott elektromos járművek eladása azonban több mint tízszeresére nőtt az elmúlt öt évben.Egyre több ország tiltja be a belső égésű autókat a jövőben, azzal a várakozással, hogy az elektromos járművek végül uralni fogják a személyes közlekedést.

Ez természetesen sokkal nagyobb jövőbeli igényt jelent az akkumulátorok iránt.Olyannyira, hogy az elektromos járműveket gyártó Tesla a Panasonickal együttműködve dollármilliárdokat fektet be új lítium-ion akkumulátorgyárak építésére.Ennek ellenére az amerikai lítium-ion akkumulátorgyártók lemaradnak a piaci részesedés tekintetében.

A lítium-ion akkumulátorok kapcsolódó növekvő piaca a nehézipari alkalmazásokban, például emelőtargoncákban, seprő- és gázmosókban, repülőtéri földi támogatási alkalmazásokban és automatikus irányított járművekben (AGV-k) van.Ezeket a szűk körű alkalmazásokat történelmileg az ólom-savas akkumulátorok és a belső égésű motorok szolgálták, de a gazdaságosság gyorsan eltolódott a lítium-ion akkumulátorok javára.

Kína a vezetőülésen

A BloombergNEF elemzése szerint 2019 elején 316 gigawattóra (GWh) volt a globális lítiumcella-gyártási kapacitás.Kína ad otthont ennek a kapacitásnak 73%-ának, ezt követi az Egyesült Államok, messze lemaradva a második helyen a globális kapacitás 12%-ával.

Az előrejelzések szerint 2025-re a globális kapacitás erőteljesen növekedni fog, amikor a BloombergNEF 1211 GWh globális kapacitást prognosztizál.Az Egyesült Államok kapacitása az előrejelzések szerint növekedni fog, de lassabban, mint a globális kapacitás.Így az Egyesült Államok részesedése a globális lítiumelem-gyártásban az előrejelzések szerint csökkenni fog.

A Tesla saját akkumulátorgyárak építésével próbálja megoldani ezt a problémát, de az ilyen típusú akkumulátorok széles skáláját szállító vállalatok számára, mint például a kaliforniai OneCharge, a helyi beszállítók megtalálása kihívást jelent.Nemrég beszéltem a OneCharge vezérigazgatójával, Alex Pisarevvel, aki kiemelte a vállalata előtt álló kihívásokat:

„Az amerikai gyártók szívesen használnának az Egyesült Államokban gyártott lítium-ion cellákat – mondta Pisarev –, de ez ma már nem reális.Tehát továbbra is Kínából kell importálnunk őket.”

Kína ugyanazt az utat járja be, mint korábban a napelemekkel.Míg a napelemeket Russell Ohl amerikai mérnök találta fel, ma Kína uralja a napelemek globális piacát.Kína jelenleg a lítium-ion akkumulátorok világtermelésének ellenőrzésére összpontosít.

Előnyös-e a lehető legolcsóbb zöld technológiák alkalmazása, még akkor is, ha ez a gyártás más országoknak való átadását jelenti?Az alacsony napelem árak hozzájárultak a napelemes napelemek új növekedésének robbanásszerű növekedéséhez, ami viszont számos amerikai munkahelyet támogat.De ezeknek a paneleknek a nagy része Kínában készül.A Trump-adminisztráció megpróbálta kezelni ezt azáltal, hogy vámokat vetett ki az importált napelemekre, de ezeket a vámokat az Egyesült Államok napelemiparának többsége hevesen ellenezte.

Kína nagy előnye az olcsó munkaerő, amely lehetővé tette számára, hogy uralja számos feldolgozóipart.De Kínának több lítiumtartaléka és sokkal nagyobb lítiumtermelése is van, mint az Egyesült Államoknak 2018-ban a kínai lítiumtermelés 8000 tonna volt, ami az összes ország közül a harmadik, az Egyesült Államok lítiumtermelése pedig közel tízszerese.A kínai lítiumkészlet 2018-ban egymillió tonna volt, ami közel harmincszorosa az amerikai szintnek.

Az Út előre

A tendenciák azt jelzik, hogy a lítium-ion akkumulátorok egyre inkább kiszorítják az ólom-savas akkumulátorokat a szállítási és nehézgépészeti ágazatokban.Ez kritikus fejlemény egy rekord szén-dioxid-kibocsátással küzdő világban.

De ilyen előnnyel a gyártási költségek és a nyersanyagok rendelkezésre állása tekintetében az USA versenyezhet Kínával a világpiacon?Ha nem, mivel a lítium-ion akkumulátorok egyre növekvő száma eléri használható élettartamuk végét, az Egyesült Államok képes-e versenyképes piacot kialakítani az újrahasznosított lítium számára?

Ezek fontos kérdések, amelyekkel foglalkozni kell.

Nem világos, hogy Kína hogyan fog megbirkózni az ilyen kihívásokkal, de a lítium iránti könyörtelen törekvése és a fémnek tulajdonított stratégiai jelentősége miatt kétségtelenül találni fognak megoldást.A zöld közlekedés Kína felkarolása sok szempontból jó dolog, mivel növeli az ágazat iránti érdeklődést, és arra sarkallja a versenytárs nemzeteket, hogy megpróbálják felzárkózni a lítiumellátás és az újratölthető akkumulátorok piacán való részesedésük tekintetében.Fennáll a veszély, hogy továbbra is lemaradnak, így Kína monopóliuma marad a hamarosan fő közlekedési ágazattá váló ágazat felett.

Kövess engem Twitter vagy LinkedIn .Nézd meg az enyémet weboldal vagy néhány más munkám itt.