מדוע סין יכולה לשלוט בייצור סוללות ליתיום-יון

האם ליתיום-יון היא הסוללה האידיאלית?

במשך שנים רבות, ניקל-קדמיום הייתה הסוללה המתאימה היחידה לציוד נייד מתקשורת אלחוטית ועד מחשוב נייד.ניקל-מתכת-הידריד וליתיום-יון הופיעו בתחילת שנות ה-90, נלחמו באף לאף כדי לזכות בהסכמת הלקוח.כיום, ליתיום-יון הוא הכימיה הצומחת והמבטיחה ביותר של הסוללות.

העולם נעשה יותר ויותר מחושמל.לא רק שהמדינות המתפתחות מגדילות את זמינות החשמל לאוכלוסייתן, אלא שהחשמול של תשתיות התחבורה הקיימות מתקדם בקצב מהיר.עד שנת 2040, למעלה ממחצית מהמכוניות על הכבישים צפויות להיות מונעות בחשמל.

היסטוריה קצרה של סוללות

סוללות היו חלק מחיי היומיום שלנו במשך זמן רב.הסוללה האמיתית הראשונה בעולם הומצאה בשנת 1800 על ידי הפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה.ההמצאה ייצגה פריצת דרך יוצאת דופן, אך מאז היו רק קומץ חידושים משמעותיים.

הראשונה הייתה סוללת העופרת-חומצה, שהומצאה בשנת 1859. זו הייתה הסוללה הנטענת הראשונה והיא עדיין הסוללה הנפוצה ביותר המשמשת כיום להתנעת מנועי בעירה פנימית.

היו כמה עיצובים חדשניים של סוללות במאתיים השנים האחרונות, אבל רק ב-1980 הומצא מחליף משחק אמיתי.זה היה כאשר פריצות דרך באוניברסיטת אוקספורד ובאוניברסיטת סטנפורד הובילו לפיתוח סוללת הליתיום-יון.סוני פרסמה את סוללת הליתיום-יון הראשונה ב-1991.

מה כל כך מיוחד בליתיום?

ליתיום היא מתכת מיוחדת במובנים רבים.זה קל ורך - כל כך רך שאפשר לחתוך אותו עם סכין מטבח וכל כך נמוך בצפיפות שהוא צף על המים.הוא גם מוצק בטווח רחב של טמפרטורות, עם אחת מנקודות ההתכה הנמוכות ביותר של כל המתכות ונקודת רתיחה גבוהה.

כמו המתכת האלקלית, נתרן, ליתיום מגיב עם מים בצורה ראוותנית.השילוב של Li ו-H2O יוצר ליתיום הידרוקסיד ומימן, אשר בדרך כלל פורצים בלהבה אדומה.

יש הרבה היבטים סוללת ליתיום-יון בטיחות לאורך תהליכי התכנון שלה, לרבות מבנה סוללה בטוח, חומרי גלם בטוחים, פונקציות הגנה ואישורי בטיחות.כאשר התראיין ל-China Electronics News, מר סו ג'ינראן, סגן המהנדס הראשי, אמר שבטיחות המוצר החלה בתכנון המוצר, ולכן בחירת חומרי האלקטרודה הנכונים, המפרידים והאלקטרוליטים הם העדיפות הראשונה לתכנון סוללה בטוחה.עבור חומרי אנודה של סוללה, חומרים טרינריים, מנגן ליתיום ופוספט ברזל ליתיום, שהיו בשימוש נרחב בתכנון סוללות והניבו ביצועים משביעי רצון, בטוחים יותר מאשר ליתיום קובלטאט וניקל ליתיום מסורתיים.

סוללות ליתיום-יון פופולריות מכיוון שיש להן מספר יתרונות חשובים על פני טכנולוגיות מתחרות:

● הם בדרך כלל הרבה יותר קלים מסוגים אחרים של סוללות נטענות באותו גודל.האלקטרודות של סוללת ליתיום-יון עשויות מליתיום ופחמן קל משקל.ליתיום הוא גם יסוד מאוד תגובתי, כלומר ניתן לאגור הרבה אנרגיה בקשרים האטומיים שלו.זה מתורגם לצפיפות אנרגיה גבוהה מאוד עבור סוללות ליתיום-יון.הנה דרך לקבל פרספקטיבה על צפיפות האנרגיה.סוללת ליתיום-יון טיפוסית יכולה לאחסן 150 וואט-שעה של חשמל ב-1 קילוגרם של סוללה.מארז סוללות NiMH (ניקל-מתכת הידריד) יכול לאחסן אולי 100 וואט-שעה לק"ג, אם כי 60 עד 70 וואט-שעה עשוי להיות אופייני יותר.סוללת עופרת יכולה לאחסן רק 25 וואט-שעה לקילוגרם.באמצעות טכנולוגיית חומצת עופרת, נדרשים 6 ק"ג כדי לאגור את אותה כמות אנרגיה שסוללת ליתיום-יון במשקל 1 ק"ג יכולה להתמודד.זה הבדל עצום [מקור: Everything2.com ].

● הם מחזיקים באחריותם.חבילת סוללות ליתיום-יון מאבדת רק כ-5 אחוזים מהטעינה שלה בחודש, לעומת הפסד של 20 אחוז בחודש עבור סוללות NiMH.

● אין להם אפקט זיכרון, מה שאומר שלא צריך לפרוק אותם לחלוטין לפני הטעינה מחדש, כמו בכמה כימיקלים אחרים של הסוללה.

● סוללות ליתיום-יון יכולות להתמודד עם מאות מחזורי טעינה/פריקה.

● זה לא אומר שסוללות ליתיום-יון הן ללא רבב.יש להם גם כמה חסרונות:

● הם מתחילים להשפיל ברגע שהם עוזבים את המפעל.הם יחזיקו מעמד רק שנתיים או שלוש מתאריך הייצור בין אם תשתמש בהם ובין אם לא.

● הם רגישים ביותר לטמפרטורות גבוהות.חום גורם למארזי סוללות ליתיום-יון להתפרק הרבה יותר מהר ממה שהם היו עושים בדרך כלל.

● אם תפרק לחלוטין סוללת ליתיום-יון, היא תהרוס.

● ערכת סוללות ליתיום-יון חייבת להיות בעלת מחשב מובנה כדי לנהל את הסוללה.זה הופך אותם ליקרים אפילו יותר ממה שהם כבר.

● קיים סיכוי קטן שאם מארז סוללות ליתיום-יון נכשל, היא תתפרץ בלהבה.

הגדרת תקן מבוססת חדשנות

בשל המורכבות במנגנון הבטיחות של סוללות ליתיום-יון, במיוחד ההשפעה על הבטיחות לאחר שימוש חוזר בסוללות, תהליך ההבנה של בטיחות סוללת הליתיום-יון וקביעת הסטנדרטים שלה צריך להיות הדרגתי ומתקדם.ויש לשקול גם פיתוח ויישום של טכניקות בקרה חיצוניות.סו הציע זאת כהגדרה סוללת ליתיום-יון תקני בטיחות היא עבודה טכנית ביותר, גם אנשי מקצוע של קביעת סטנדרטים מגופי תקינת סוללות וגם מומחים טכניים מתעשיית הסוללות, משתמשים ואזורי בקרה אלקטרוניים צריכים להשתתף בתהליך, כולל עבודות אימות ניסיוניות.

מהנדס בכיר ממכון התקינה האלקטרוניקה של סין, מר Sun Chuanhao, אמר שכיום ניתן לחלק את סוללות הליתיום-יון לסוגי אנרגיה וסוגי חשמל.מכיוון שלשני המוצרים הללו יש הבדלים בחומרים ובמבני עיצוב, שיטות הבדיקה והדרישות שלהם שונות, אפילו באותם תנאי בטיחות.הסוללות הנקראות ניידות שייכות לסוג האנרגיה, כולל סוללות ליתיום-יון המשמשות בטלפונים ניידים, מחשבים ניידים, מצלמות דיגיטליות ומצלמות וידאו, בעוד שסוללת הכוח מיועדת לכלי עבודה חשמליים, אופניים חשמליים וכלי רכב חשמליים.

לפי ארגון המחקר BloombergNEF, המחיר הממוצע של סוללת ליתיום-יון (הכוללת את התא והחבילה) ירד ב-85% בין השנים 2010-18, והגיע לממוצע של 176$ לקוט"ש.BloombergNEF עוד צופה שהמחירים יירדו ל-94 דולר לקוט"ש עד 2024 ול-62 דולר לקוט"ש עד 2030.

לעקומת הירידה הזו יש השלכות חשובות על כל חברה המשתמשת בסוללות בשירות שלה, או על אלו שיש להם צורך לאגור אנרגיה (למשל, יצרני חשמל).עד כה, רוב המכירות של סוללות ליתיום-יון היו בתחום מוצרי האלקטרוניקה, אך המכירות העתידיות יונעו יותר ויותר על ידי מכוניות חשמליות.

רוב המכוניות על הכבישים כיום עדיין משתמשות בסוללת עופרת חומצה ומנוע בעירה פנימית.אבל המכירות של כלי רכב חשמליים - המונעים על ידי סוללות ליתיום-יון - גדלו יותר מפי עשרה בחמש השנים האחרונות.יתרה מכך, יותר ויותר מדינות קובעות איסורים עתידיים על מכוניות המבוססות על בעירה פנימית, מתוך ציפייה שכלי רכב חשמליים ישלטו בסופו של דבר בתחבורה האישית.

משמעות הדבר, כמובן, היא ביקוש עתידי גדול בהרבה לסוללות.עד כדי כך שיצרנית הרכב החשמלי טסלה, בשיתוף עם פנסוניק, משקיעה מיליארדי דולרים כדי לבנות מפעלים חדשים של סוללות ליתיום-יון.עם זאת, יצרני סוללות ליתיום-יון בארה"ב מפגרים בנתח שוק.

שוק צמיחה קשור לסוללות ליתיום-יון הוא ביישומים תעשייתיים כבדים כגון משאיות הרמה, מטאטאים ומקרצפים, יישומי תמיכה בקרקע של נמל תעופה וכלי רכב מונחים אוטומטיים (AGVs).יישומי נישה אלה זכו בעבר על ידי סוללות עופרת וחומצה ומנועי בעירה פנימית, אך הכלכלה השתנתה במהירות לטובת סוללות ליתיום-יון.

סין במושב הנהג

על פי ניתוח של BloombergNEF, בתחילת 2019 היו 316 ג'יגה וואט-שעה (GWh) של כושר ייצור תאי ליתיום עולמי.סין היא ביתם של 73% מהקיבולת הזו, ואחריה ארה"ב, הרחק מאחור במקום השני עם 12% מהקיבולת העולמית.

קיבולת גלובלית צפויה לצמוח חזק עד 2025 כאשר BloombergNEF צופה 1,211 GWh של קיבולת גלובלית.הקיבולת בארה"ב צפויה לגדול, אך איטית מהקיבולת העולמית.לפיכך, נתח ארה"ב בייצור תאי ליתיום העולמי צפוי להתכווץ.

טסלה מנסה לטפל בבעיה זו על ידי בניית מפעלי סוללות משלה, אך עבור חברות המספקות מגוון רחב של סוללות מסוג זה, כמו OneCharge מקליפורניה, מציאת ספקים מקומיים הוכיחה את עצמה כמאתגרת.לאחרונה שוחחתי עם מנכ"ל OneCharge, אלכס פיסרב, שהדגיש את האתגרים שהחברה שלו התמודדה איתה:

"יצרנים אמריקאים ישמחו להשתמש בתאי ליתיום-יון מתוצרת ארה"ב," אמר לי פיסרב, "אבל זה לא מציאותי היום.אז אנחנו צריכים להמשיך לייבא אותם מסין".

סין נוקטת באותה דרך שעשתה בעבר עם פאנלים סולאריים.בעוד שתאים סולאריים הומצאו על ידי המהנדס האמריקאי ראסל אוהל, כיום סין שולטת בשוק הפאנלים הסולאריים העולמי.כעת סין מתמקדת בשליטה בייצור העולמי של סוללות ליתיום יון.

האם עדיף לקבל את הטכנולוגיות הירוקות הזולות ביותר האפשריות, גם אם זה אומר לוותר על הייצור למדינות אחרות?מחירי פאנלים סולאריים נמוכים סייעו להניע פיצוץ של גידול PV סולארי חדש, וזה, בתורו, תמך בעבודות רבות בארה"ב.אבל עיקר הלוחות האלה מיוצרים בסין.ממשל טראמפ ניסה להתמודד עם זה על ידי הטלת מכסים על פאנלים סולאריים מיובאים, אך התעריפים הללו זכו להתנגדות נמרצת מצד רוב התעשייה הסולארית בארה"ב.

לסין יש יתרון גדול של כוח עבודה זול, מה שאיפשר לה לשלוט בתעשיות ייצור רבות.אבל לסין יש גם יותר עתודות ליתיום וייצור ליתיום גדול בהרבה מאשר בארה"ב. בשנת 2018, ייצור הליתיום הסיני היה 8,000 טון, שלישי מבין כל המדינות וכמעט פי עשרה מתוצרת הליתיום בארה"ב.עתודות הליתיום הסיניות בשנת 2018 היו מיליון טון מטרי, כמעט פי 30 מהרמות בארה"ב.

הדרך קדימה

המגמות מאותתות שסוללות ליתיום-יון יחליפו יותר ויותר סוללות עופרת-חומצה במגזרי התחבורה והציוד הכבד.זוהי התפתחות קריטית בעולם המתמודד עם פליטות שיא של פחמן דו חמצני.

אבל עם יתרון כזה הן בעלויות הייצור והן בזמינות חומרי הגלם, האם ארה"ב יכולה להתחרות עם סין בשוק העולמי?אם לא, ככל שמספר הולך וגדל של סוללות ליתיום-יון מגיעות לסוף חייהן השימושיים, האם ארה"ב יכולה לפתח שוק תחרותי לליתיום ממוחזר?

אלו שאלות חשובות שצריך להתייחס אליהן.

לא ברור איך סין תתמודד עם אתגרים כאלה, אבל לאור הרדיפה הבלתי פוסקת שלה אחר ליתיום, והחשיבות האסטרטגית שהיא מייחסת למתכת, ללא ספק יימצאו פתרונות.במובנים רבים, החיבוק של סין לתחבורה ירוקה הוא דבר טוב, שכן הוא מרחיב את העניין במגזר ומדרבן את המדינות המתחרות לנסות להדביק את הפער מבחינת חלקן באספקת הליתיום ושוק הסוללות הנטענות.הסכנה היא שהם ממשיכים לפגר מאחור, מה שמותיר את סין עם מונופול על מה שעלול להפוך בקרוב למגזר תחבורה מיינסטרים.

עקוב אחריי הלאה טוויטר אוֹ לינקדאין .תראה את ה ... שלי אתר אינטרנט או חלק מהעבודות האחרות שלי כאן.