Waarom China de productie van lithium-ionbatterijen kan domineren

Is lithium-ion de ideale batterij?

Jarenlang was nikkel-cadmium de enige geschikte batterij voor draagbare apparatuur, van draadloze communicatie tot mobiel computergebruik.Nikkel-metaalhydride en lithium-ion ontstonden begin jaren negentig en vochten neus aan neus om de acceptatie van de klant te krijgen.Tegenwoordig is lithium-ion de snelst groeiende en meest veelbelovende batterijchemie.

De wereld wordt steeds meer geëlektrificeerd.Niet alleen vergroten ontwikkelingslanden de beschikbaarheid van elektriciteit voor hun bevolking, maar ook de elektrificatie van de bestaande transportinfrastructuur gaat snel.Tegen 2040 zal naar verwachting meer dan de helft van de auto's op de weg op elektriciteit rijden.

Een korte geschiedenis van batterijen

Batterijen maken al lange tijd deel uit van ons dagelijks leven.De eerste echte batterij ter wereld werd in 1800 uitgevonden door de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta.De uitvinding betekende een opmerkelijke doorbraak, maar sindsdien zijn er slechts een handvol belangrijke innovaties geweest.

De eerste was de loodzuurbatterij, die werd uitgevonden in 1859. Dit was de eerste oplaadbare batterij en is nog steeds de meest gebruikte batterij om verbrandingsmotoren te starten.

Er zijn de afgelopen twee eeuwen enkele innovatieve batterijontwerpen geweest, maar pas in 1980 werd een echte game-wisselaar uitgevonden.Dat was het moment waarop doorbraken aan de Universiteit van Oxford en Stanford University leidden tot de ontwikkeling van de lithium-ionbatterij.Sony bracht in 1991 de eerste lithium-ionbatterij op de markt.

Wat is er zo speciaal aan lithium?

Lithium is in veel opzichten een speciaal metaal.Het is licht en zacht — zo zacht dat het met een keukenmes kan worden gesneden en zo laag in dichtheid dat het op water drijft.Het is ook vast bij een breed temperatuurbereik, met een van de laagste smeltpunten van alle metalen en een hoog kookpunt.

Net als zijn mede-alkalimetaal, natrium, reageert lithium met water in opzichtige vorm.De combinatie van Li en H2O vormt lithiumhydroxide en waterstof, die meestal in een rode vlam barsten.

Er zijn veel aspecten aan Lithium ion batterij veiligheid tijdens de ontwerpprocessen, waaronder een veilige batterijstructuur, veilige grondstoffen, beschermende functies en veiligheidscertificeringen.In een interview met China Electronics News zei dhr. Su Jinran, plaatsvervangend hoofdingenieur, dat productveiligheid begon bij het productontwerp, en dat daarom het selecteren van de juiste elektrodematerialen, separatoren en elektrolyten de eerste prioriteit is voor een veilig batterijontwerp.Voor batterijanodematerialen zijn ternaire materialen, mangaanlithium en lithiumijzerfosfaat, die veel zijn gebruikt in batterijontwerp en bevredigende prestaties hebben opgeleverd, veiliger dan traditioneel lithiumkobaltaat en nikkellithium.

Lithium-ionbatterijen zijn populair omdat ze een aantal belangrijke voordelen hebben ten opzichte van concurrerende technologieën:

● Ze zijn over het algemeen veel lichter dan andere typen oplaadbare batterijen van hetzelfde formaat.De elektroden van een lithium-ionbatterij zijn gemaakt van lichtgewicht lithium en koolstof.Lithium is ook een zeer reactief element, wat betekent dat er veel energie kan worden opgeslagen in zijn atomaire bindingen.Dit vertaalt zich in een zeer hoge energiedichtheid voor lithium-ionbatterijen.Hier is een manier om een ​​perspectief te krijgen op energiedichtheid.Een typische lithium-ionbatterij kan 150 wattuur elektriciteit opslaan in 1 kilogram batterij.Een NiMH-batterij (nikkel-metaalhydride) kan misschien 100 wattuur per kilogram opslaan, hoewel 60 tot 70 wattuur meer typisch is.Een loodzuuraccu kan slechts 25 wattuur per kilogram opslaan.Met behulp van loodzuurtechnologie is er 6 kilogram nodig om dezelfde hoeveelheid energie op te slaan als een lithium-ionbatterij van 1 kilogram.Dat is een enorm verschil [bron: Alles2.com ].

● Ze behouden hun lading.Een lithium-ionbatterij verliest slechts ongeveer 5 procent van zijn lading per maand, vergeleken met een verlies van 20 procent per maand voor NiMH-batterijen.

● Ze hebben geen geheugeneffect, wat betekent dat u ze niet volledig hoeft te ontladen voordat u ze weer oplaadt, zoals bij sommige andere soorten batterijen.

● Lithium-ionbatterijen kunnen honderden laad-/ontlaadcycli aan.

● Dat wil niet zeggen dat lithium-ionbatterijen onberispelijk zijn.Ze hebben ook enkele nadelen:

● Ze beginnen af ​​te breken zodra ze de fabriek verlaten.Ze gaan slechts twee of drie jaar mee vanaf de fabricagedatum, of u ze nu gebruikt of niet.

● Ze zijn extreem gevoelig voor hoge temperaturen.Hitte zorgt ervoor dat lithium-ionbatterijen veel sneller verslechteren dan normaal.

● Als u een lithium-ionbatterij volledig ontlaadt, is deze kapot.

● Een lithium-ion batterijpakket moet een boordcomputer hebben om de batterij te beheren.Dat maakt ze nog duurder dan ze al zijn.

● Er is een kleine kans dat, als een lithium-ion batterijpakket defect raakt, deze in brand vliegt.

Op innovatie gebaseerde normstelling

Vanwege de complexiteit van het veiligheidsmechanisme van lithium-ionbatterijen, met name de impact op de veiligheid na hergebruik van de batterijen, moet het proces van het begrijpen van de veiligheid van lithium-ionbatterijen en het vaststellen van de normen geleidelijk en progressief zijn.En ook de ontwikkeling en toepassing van externe controletechnieken moet worden overwogen.Su stelde dat voor als instelling Lithium ion batterij veiligheidsnormen is een zeer technische taak, zowel professionals die normen stellen van instanties voor normalisatie van batterijen als technische specialisten uit de batterij-industrie, gebruikers en elektronische controlegebieden moeten deelnemen aan het proces, inclusief experimentele verificatiewerkzaamheden.

Senior ingenieur van het China Electronics Standardization Institute, de heer Sun Chuanhao, zei dat lithium-ionbatterijen momenteel kunnen worden onderverdeeld in energietypes en vermogenstypes.Aangezien deze twee producten verschillen in materialen en ontwerpstructuren, zijn hun testmethoden en vereisten verschillend, zelfs onder dezelfde veiligheidsomstandigheden.De zogenaamde draagbare batterijen behoren tot het energietype, waaronder lithium-ionbatterijen die worden gebruikt in mobiele telefoons, laptops, digitale camera's en videocamera's, terwijl de batterij van het stroomtype is voor elektrisch gereedschap, elektrische fietsen en elektrische voertuigen.

Volgens de onderzoeksorganisatie BloombergNEF is de volumegewogen gemiddelde prijs van het lithium-ionbatterijpakket (inclusief de cel en het pakket) tussen 2010 en 2018 met 85% gedaald tot een gemiddelde van $ 176/kWh.BloombergNEF verwacht verder dat de prijzen zullen dalen tot $ 94/kWh in 2024 en $ 62/kWh in 2030.

Deze dalende kostencurve heeft belangrijke implicaties voor elk bedrijf dat batterijen gebruikt voor zijn service, of voor bedrijven die energie moeten opslaan (bijvoorbeeld energieproducenten).Tot op heden zijn de meeste lithium-ionbatterijen verkocht in de sector consumentenelektronica, maar de toekomstige verkoop zal steeds meer worden gedreven door elektrische auto's.

De meeste auto's op de weg gebruiken nog steeds een loodzuuraccu en een verbrandingsmotor.Maar de verkoop van elektrische voertuigen – aangedreven door lithium-ionbatterijen – is de afgelopen vijf jaar meer dan vertienvoudigd.Verder stellen steeds meer landen in de toekomst een verbod in op auto's op basis van verbrandingsmotoren, met de verwachting dat elektrische voertuigen uiteindelijk persoonlijk vervoer zullen domineren.

Dit betekent natuurlijk een veel grotere toekomstige vraag naar batterijen.Zozeer zelfs dat de fabrikant van elektrische voertuigen Tesla, in samenwerking met Panasonic, miljarden dollars investeert om nieuwe fabrieken voor lithium-ionbatterijen te bouwen.Desalniettemin lopen Amerikaanse producenten van lithium-ionbatterijen achter in marktaandeel.

Een gerelateerde groeimarkt voor lithium-ionbatterijen is in zware industriële toepassingen zoals heftrucks, veegmachines en schrobmachines, grondondersteuningstoepassingen op luchthavens en automatisch geleide voertuigen (AGV's).Deze nichetoepassingen werden van oudsher bediend door loodzuurbatterijen en verbrandingsmotoren, maar de economie is snel verschoven ten gunste van lithium-ionbatterijen.

China in de bestuurdersstoel

Volgens een analyse van BloombergNEF was er begin 2019 316 gigawattuur (GWh) aan wereldwijde productiecapaciteit voor lithiumcellen.China is de thuisbasis van 73% van deze capaciteit, gevolgd door de VS, ver achter op de tweede plaats met 12% van de wereldwijde capaciteit.

De wereldwijde capaciteit zal naar verwachting robuust groeien tegen 2025 wanneer BloombergNEF een wereldwijde capaciteit van 1.211 GWh voorspelt.De capaciteit in de VS zal naar verwachting groeien, maar langzamer dan de wereldwijde capaciteit.Het aandeel van de VS in de wereldwijde productie van lithiumcellen zal dus naar verwachting krimpen.

Tesla probeert dit probleem aan te pakken door zijn eigen batterijfabrieken te bouwen, maar voor bedrijven die een breed scala van dit soort batterijen leveren, zoals het in Californië gevestigde OneCharge, is het vinden van lokale leveranciers een uitdaging gebleken.Ik sprak onlangs met Alex Pisarev, CEO van OneCharge, die de uitdagingen benadrukte waarmee zijn bedrijf werd geconfronteerd:

"Amerikaanse fabrikanten zouden graag in de VS gemaakte lithium-ioncellen gebruiken," vertelde Pisarev me, "maar dit is vandaag de dag niet realistisch.We moeten ze dus blijven importeren uit China.”

China slaat dezelfde weg in als voorheen met zonnepanelen.Terwijl zonnecellen werden uitgevonden door de Amerikaanse ingenieur Russell Ohl, domineert China vandaag de wereldwijde markt voor zonnepanelen.Nu richt China zich op het beheersen van de wereldproductie van lithium-ionbatterijen.

Heeft het de voorkeur om de goedkoopst mogelijke groene technologieën te hebben, zelfs als dat betekent dat de productie aan andere landen moet worden overgelaten?Lage prijzen voor zonnepanelen hebben bijgedragen aan een explosie van nieuwe zonne-PV-groei, en dat heeft op zijn beurt veel banen in de VS ondersteund.Maar het grootste deel van die panelen wordt in China gemaakt.De Trump-regering heeft geprobeerd dit aan te pakken door tarieven te heffen op geïmporteerde zonnepanelen, maar deze tarieven zijn door het grootste deel van de Amerikaanse zonne-energie-industrie krachtig bestreden.

China heeft een groot voordeel van goedkope arbeid, waardoor het veel productie-industrieën heeft kunnen domineren.Maar China heeft ook meer lithiumreserves en een veel grotere lithiumproductie dan de VS. In 2018 bedroeg de Chinese lithiumproductie 8.000 ton, de derde van alle landen en bijna tien keer de Amerikaanse lithiumproductie.De Chinese lithiumreserves bedroegen in 2018 een miljoen ton, bijna 30 keer het Amerikaanse niveau.

De weg vooruit

De trends geven aan dat lithium-ionbatterijen in toenemende mate loodzuurbatterijen zullen verdringen in de sectoren transport en zwaar materieel.Dit is een kritieke ontwikkeling in een wereld die worstelt met recordkooldioxide-emissies.

Maar kunnen de VS, met zo'n voordeel in zowel productiekosten als beschikbaarheid van grondstoffen, concurreren met China op de wereldmarkt?Zo niet, kunnen de VS, nu steeds meer lithium-ionbatterijen het einde van hun bruikbare levensduur bereiken, een concurrerende markt voor gerecycled lithium ontwikkelen?

Dit zijn belangrijke vragen die beantwoord moeten worden.

Het is onduidelijk hoe China met dergelijke uitdagingen zal omgaan, maar gezien zijn niet-aflatende jacht op lithium en het strategische belang dat het aan het metaal hecht, zullen er ongetwijfeld oplossingen worden gevonden.In veel opzichten is de omarming van groen transport door China een goede zaak, omdat het de interesse in de sector vergroot en concurrerende landen aanspoort om te proberen hun achterstand in te halen wat betreft hun aandeel in de levering van lithium en de markt voor oplaadbare batterijen.Het gevaar is dat ze achterblijven, waardoor China een monopolie krijgt op wat binnenkort een reguliere transportsector zou kunnen worden.

Volg me op Twitteren of LinkedIn .Kijk naar mijn website of wat van mijn andere werk hier.