Af hverju Kína getur ráðið yfir framleiðslu á litíumjónarafhlöðum

Er litíumjón tilvalin rafhlaða?

Í mörg ár hafði nikkel-kadmíum verið eina hentugur rafhlaðan fyrir færanlegan búnað, allt frá þráðlausum fjarskiptum til farsímatölvu.Nikkel-málm-hýdríð og litíum-jón komu fram Snemma á tíunda áratugnum, barðist nef við nef til að fá viðurkenningu viðskiptavina.Í dag er litíumjón sú efnafræði rafhlöðu sem vex hvað hraðast og efnilegur.

Heimurinn verður sífellt rafvæddari.Ekki aðeins eru þróunarlönd að auka framboð á raforku fyrir íbúa sína heldur gengur rafvæðing núverandi samgöngumannvirkja hratt áfram.Árið 2040 er gert ráð fyrir að meira en helmingur bíla á vegum verði knúinn rafmagni.

Stutt saga um rafhlöður

Rafhlöður hafa verið hluti af daglegu lífi okkar í langan tíma.Fyrsta sanna rafhlaðan í heiminum var fundin upp árið 1800 af ítalska eðlisfræðingnum Alessandro Volta.Uppfinningin táknaði ótrúlega byltingu, en frá þeim tíma hafa aðeins verið örfáar mikilvægar nýjungar.

Sú fyrsta var blý-sýru rafhlaðan, sem fundin var upp árið 1859. Þetta var fyrsta endurhlaðanlega rafhlaðan og er enn í dag algengasta rafhlaðan sem notuð er til að ræsa brunahreyfla.

Það hefur verið nokkur nýstárleg rafhlöðuhönnun á undanförnum tveimur öldum, en það var ekki fyrr en 1980 sem raunverulegur leikjabreytir var fundinn upp.Það var þegar bylting við háskólann í Oxford og Stanford háskóla leiddu til þróunar á litíumjónarafhlöðunni.Sony setti fyrstu litíumjónarafhlöðuna á markað árið 1991.

Hvað er svona sérstakt við litíum?

Litíum er sérstakur málmur á margan hátt.Það er létt og mjúkt — svo mjúkt að hægt er að skera það með eldhúshníf og svo lágt að það flýtur á vatni.Það er líka fast við breitt hitastig, með eitt lægsta bræðslumark allra málma og hátt suðumark.

Eins og annar alkalímálmur, natríum, hvarfast litíum við vatn í áberandi formi.Sambland af Li og H2O myndar litíumhýdroxíð og vetni, sem venjulega springa í rauðan loga.

Það eru margar hliðar á Lithium-ion rafhlaða öryggi í gegnum hönnunarferla þess, þar með talið örugga rafhlöðuuppbyggingu, öruggt hráefni, verndaraðgerðir og öryggisvottorð.Í viðtali við China Electronics News sagði Su Jinran, staðgengill yfirverkfræðings, að vöruöryggi hafi byrjað í vöruhönnun, þess vegna er val á réttu rafskautsefnum, skiljum og raflausnum forgangsverkefni fyrir örugga rafhlöðuhönnun.Fyrir rafhlöðu rafskautaefni eru þrískipti efni, manganlitíum og litíumjárnfosfat, sem hafa verið mikið notuð í rafhlöðuhönnun og skilað fullnægjandi afköstum, öruggari en hefðbundið litíumkóbaltat og nikkellitíum.

Lithium-ion rafhlöður eru vinsælar vegna þess að þær hafa ýmsa mikilvæga kosti fram yfir samkeppnistækni:

● Þær eru almennt mun léttari en aðrar gerðir af endurhlaðanlegum rafhlöðum af sömu stærð.Rafskaut litíumjónarafhlöðu eru úr léttu litíum og kolefni.Litíum er einnig mjög hvarfgjarnt frumefni, sem þýðir að mikið af orku er hægt að geyma í atómtengjum þess.Þetta þýðir mjög mikla orkuþéttleika fyrir litíumjónarafhlöður.Hér er leið til að fá sjónarhorn á orkuþéttleika.Dæmigerð litíumjónarafhlaða getur geymt 150 wattstundir af rafmagni í 1 kílógrammi af rafhlöðu.NiMH (nikkel-málmhýdríð) rafhlaða pakki getur geymt kannski 100 watt-stundir á hvert kíló, þó 60 til 70 watt-stundir gætu verið dæmigerðar.Blýsýru rafhlaða getur aðeins geymt 25 wattstundir á hvert kíló.Með því að nota blýsýrutækni tekur það 6 kíló að geyma sömu orku og 1 kílógramms litíumjónarafhlaða þolir.Það er mikill munur [Heimild: Allt2.com ].

● Þeir halda sínu striki.Lithium-ion rafhlaða tapar aðeins um 5 prósent af hleðslu sinni á mánuði, samanborið við 20 prósent tap á mánuði fyrir NiMH rafhlöður.

● Þau hafa engin minnisáhrif, sem þýðir að þú þarft ekki að tæma þau alveg fyrir endurhleðslu, eins og með sum önnur rafhlöðuefnafræði.

● Lithium-ion rafhlöður geta séð um hundruð hleðslu/losunarlota.

● Það er ekki þar með sagt að litíumjónarafhlöður séu gallalausar.Þeir hafa líka nokkra ókosti:

● Þeir byrja að niðurlægja um leið og þeir yfirgefa verksmiðjuna.Þau endast í tvö eða þrjú ár frá framleiðsludegi hvort sem þú notar þau eða ekki.

● Þeir eru mjög viðkvæmir fyrir háum hita.Hiti veldur því að litíumjónarafhlöðupakkar brotna miklu hraðar niður en venjulega.

● Ef þú tæmir litíumjónarafhlöðu alveg er hún eyðilögð.

● Lithium-ion rafhlaða pakki verður að hafa innbyggða tölvu til að stjórna rafhlöðunni.Þetta gerir þær enn dýrari en þær eru nú þegar.

● Það eru litlar líkur á því að ef litíumjónarafhlöðupakkinn bilar, kvikni í honum.

Staðlastilling sem byggir á nýsköpun

Vegna flókins öryggiskerfis litíumjónarafhlöðu, sérstaklega áhrifanna á öryggi eftir endurnotkun rafhlöðunnar, ætti ferlið við að skilja öryggi litíumjónarafhlöðu og setja staðla þess að vera smám saman og framsækið.Og einnig ætti að huga að þróun og beitingu ytri eftirlitstækni.Su stakk upp á því sem stillingu Lithium-ion rafhlaða öryggisstaðlar er mjög tæknilegt starf, bæði staðlastillingarsérfræðingar frá rafhlöðustöðlunarstofnunum og tæknifræðingar úr rafhlöðuiðnaðinum, notendum og rafeindaeftirlitssvæðum ættu að taka þátt í ferlinu, þar með talið tilraunaprófunarverk.

Yfirverkfræðingur frá China Electronics Standardization Institute, Mr Sun Chuanhao, sagði að nú væri hægt að skipta litíumjónarafhlöðum í orkutegundir og afltegundir.Þar sem þessar tvær vörur hafa mismunandi efni og hönnunarmannvirki eru prófunaraðferðir þeirra og kröfur ólíkar, jafnvel við sömu öryggisaðstæður.Svokölluðu flytjanlegu rafhlöðurnar tilheyra orkutegundinni, þar á meðal Lithium-ion rafhlöður sem notaðar eru í farsíma, fartölvur, stafrænar myndavélar og myndbandsmyndavélar, en rafhlaðan er fyrir rafmagnstæki, rafhjól og rafbíla.

Samkvæmt rannsóknarstofnuninni BloombergNEF lækkaði rúmmálsvegið meðalverð litíumjónarafhlöðupakka (sem inniheldur frumuna og pakkann) um 85% frá 2010-18 og náði að meðaltali $176/kWh.BloombergNEF spáir því enn frekar að verð muni lækka í $94/kWst árið 2024 og $62/kWh árið 2030.

Þessi lækkandi kostnaðarferill hefur mikilvægar afleiðingar fyrir öll fyrirtæki sem nota rafhlöður í þjónustu sinni, eða fyrir þá sem þurfa að geyma orku (td orkuframleiðendur).Hingað til hefur mest sala á litíumjónarafhlöðum verið í rafeindageiranum, en framtíðarsala verður í auknum mæli drifin áfram af rafbílum.

Flestir bílar á vegum í dag nota enn blýsýru rafhlöðu og brunavél.En sala á rafknúnum ökutækjum - knúin með litíumjónarafhlöðum - hefur meira en tífaldast á síðustu fimm árum.Ennfremur eru fleiri og fleiri lönd að setja framtíðarbann við bílum sem byggjast á innri bruna, með von um að rafknúin farartæki muni að lokum ráða ferðinni í einkaflutningum.

Þetta þýðir auðvitað mun meiri eftirspurn eftir rafhlöðum í framtíðinni.Svo mikið að rafbílaframleiðandinn Tesla, í samstarfi við Panasonic, fjárfestir milljarða dollara til að byggja nýjar litíumjónarafhlöðuverksmiðjur.Engu að síður eru framleiðendur litíumjónarafhlöðu í Bandaríkjunum að dragast aftur úr í markaðshlutdeild.

Tengdur vaxtarmarkaður fyrir litíumjónarafhlöður er í þungaiðnaði eins og lyfturum, sóparum og hreinsunartækjum, flugvallarforritum til stuðnings á jörðu niðri og sjálfvirkum ökutækjum með leiðsögn (AGV).Þessum sessumsóknum hefur í gegnum tíðina verið þjónað af blýsýrurafhlöðum og brunahreyflum, en hagfræðin hefur breyst hratt í þágu litíumjónarafhlöðu.

Kína í ökumannssætinu

Samkvæmt greiningu BloombergNEF voru snemma árs 2019 316 gígavattstundir (GWst) af alþjóðlegri framleiðslugetu litíumfrumna.Kína er heimili með 73% af þessari afkastagetu, þar á eftir koma Bandaríkin, langt á eftir í öðru sæti með 12% af afkastagetu á heimsvísu.

Gert er ráð fyrir að afkastageta á heimsvísu muni vaxa verulega árið 2025 þegar BloombergNEF spáir 1.211 GWst af afkastagetu á heimsvísu.Gert er ráð fyrir að afkastageta í Bandaríkjunum muni vaxa, en hægari en afkastageta á heimsvísu.Þannig er spáð að hlutdeild Bandaríkjanna í framleiðslu á litíumfrumum á heimsvísu muni dragast saman.

Tesla er að reyna að takast á við þetta vandamál með því að byggja sínar eigin rafhlöðuverksmiðjur, en fyrir fyrirtæki sem bjóða upp á breitt úrval af þessum rafhlöðum, eins og OneCharge, sem byggir í Kaliforníu, hefur reynst erfitt að finna staðbundna birgja.Ég ræddi nýlega við Alex Pisarev forstjóra OneCharge, sem benti á þær áskoranir sem fyrirtæki hans hefur staðið frammi fyrir:

„Bandarískir framleiðendur myndu gjarnan nota litíumjónafrumur sem eru framleiddar í Bandaríkjunum,“ sagði Pisarev við mig, „en þetta er ekki raunhæft í dag.Þannig að við verðum að halda áfram að flytja þau inn frá Kína.“

Kína er að fara sömu leið og það gerði áður með sólarrafhlöður.Þó að sólarsellur hafi verið fundnar upp af bandaríska verkfræðingnum Russell Ohl, er Kína í dag yfirgnæfandi á alþjóðlegum sólarplötumarkaði.Nú einbeitir Kína sér að því að stjórna framleiðslu heimsins á litíumjónarafhlöðum.

Er æskilegt að hafa ódýrustu mögulegu grænu tæknina, jafnvel þótt það þýði að framleiðsla verði yfirgefin öðrum löndum?Lágt verð á sólarrafhlöðum hefur hjálpað til við að knýja fram sprengingu í nýjum sólarorkuvexti, og það hefur aftur á móti stutt mörg störf í Bandaríkjunum.En megnið af þessum spjöldum er framleitt í Kína.Trump-stjórnin hefur reynt að bregðast við þessu með því að setja tolla á innfluttar sólarrafhlöður, en þessir tollar hafa verið harðlega andvígir af stærstum hluta bandaríska sólariðnaðarins.

Kína hefur mikinn kost á ódýru vinnuafli, sem hefur gert það kleift að ráða yfir mörgum framleiðsluiðnaði.En Kína hefur líka meiri litíumforða og miklu meiri litíumframleiðsla en í Bandaríkjunum Árið 2018 var kínversk litíumframleiðsla 8.000 tonn, þriðja af öllum löndum og næstum tífalt litíumframleiðsla í Bandaríkjunum.Kínverska litíumbirgðir árið 2018 voru ein milljón metra tonna, næstum 30 sinnum meira en í Bandaríkjunum.

Leiðin áfram

Þróunin gefur til kynna að litíumjónarafhlöður muni í auknum mæli rýma blýsýrurafhlöður í flutninga- og þungabúnaðargeiranum.Þetta er mikilvæg þróun í heimi sem glímir við metlosun koltvísýrings.

En með slíkt forskot bæði í framleiðslukostnaði og hráefnisframboði, geta Bandaríkin keppt við Kína á heimsmarkaði?Ef ekki, geta Bandaríkin þróað samkeppnismarkað fyrir endurunnið litíum eftir því sem vaxandi fjöldi litíumjónarafhlaðna nær loki endingartíma þeirra?

Þetta eru mikilvægar spurningar sem þarf að leysa.

Það er óljóst hvernig Kína mun takast á við slíkar áskoranir, en í ljósi stanslausrar leitar þess að litíum, og stefnumótandi mikilvægi sem það leggur málminu, munu lausnir án efa finnast.Að mörgu leyti er faðmlag Kína á grænum flutningum af hinu góða, þar sem það eykur áhuga á greininni og hvetur keppinautaþjóðir til að reyna að ná sér á strik hvað varðar hlutdeild þeirra í litíumframboði og endurhlaðanlegum rafhlöðum.Hættan er sú að þeir haldi áfram að vera á eftir og skilji Kína eftir með einokun á því sem gæti brátt orðið almennur flutningageiri.

Fylgdu mér áfram Twitter eða LinkedIn .Skoðaðu mína vefsíðu eða eitthvað af öðrum verkum mínum hér.