Hvorfor Kina kan dominere produksjonen av litiumionbatterier

Er litiumion det ideelle batteriet?

I mange år hadde nikkel-kadmium vært det eneste passende batteriet for bærbart utstyr fra trådløs kommunikasjon til mobil databehandling.Nikkel-metall-hydrid og litium-ion dukket opp på begynnelsen av 1990-tallet, og kjempet nese-til-nese for å få kundens aksept.I dag er litiumion den raskest voksende og mest lovende batterikjemien.

Verden blir stadig mer elektrifisert.Ikke bare øker utviklingsland tilgjengeligheten av elektrisitet til befolkningen, men elektrifiseringen av eksisterende transportinfrastruktur går i et raskt tempo.Innen 2040 er over halvparten av bilene på veiene anslått å være drevet av elektrisitet.

En kort historie om batterier

Batterier har vært en del av hverdagen vår i lang tid.Verdens første ekte batteri ble oppfunnet i 1800 av den italienske fysikeren Alessandro Volta.Oppfinnelsen representerte et bemerkelsesverdig gjennombrudd, men siden den gang har det bare vært en håndfull betydelige innovasjoner.

Det første var blybatteriet, som ble oppfunnet i 1859. Dette var det første oppladbare batteriet og er fortsatt det vanligste batteriet som brukes til å starte forbrenningsmotorer i dag.

Det har vært noen nyskapende batteridesign de siste to århundrene, men det var ikke før i 1980 at en ekte gamechanger ble oppfunnet.Det var da gjennombrudd ved University of Oxford og Stanford University førte til utviklingen av litium-ion-batteriet.Sony kommersialiserte det første litium-ion-batteriet i 1991.

Hva er så spesielt med litium?

Litium er et spesielt metall på mange måter.Den er lett og myk — så myk at den kan skjæres med en kjøkkenkniv og så lav tetthet at den flyter på vannet.Det er også solid ved et bredt temperaturområde, med et av de laveste smeltepunktene for alle metaller og et høyt kokepunkt.

Som sin andre alkalimetall, natrium, reagerer litium med vann i prangende form.Kombinasjonen av Li og H2O danner litiumhydroksid og hydrogen, som vanligvis bryter ut i rød flamme.

Det er mange aspekter ved Litium-ion-batteri sikkerhet gjennom hele designprosessene, inkludert sikker batteristruktur, trygge råvarer, beskyttelsesfunksjoner og sikkerhetssertifiseringer.Da han ble intervjuet av China Electronics News, sa Mr Su Jinran, visesjefingeniør, at produktsikkerhet begynte i produktdesign, derfor er valg av riktige elektrodematerialer, separatorer og elektrolytter førsteprioritet for sikker batteridesign.For batterianodematerialer er ternære materialer, manganlitium og litiumjernfosfat, som har blitt mye brukt i batteridesign og gitt tilfredsstillende ytelse, sikrere enn tradisjonell litiumkoboltat og nikkellitium.

Litium-ion-batterier er populære fordi de har en rekke viktige fordeler i forhold til konkurrerende teknologier:

● De er generelt mye lettere enn andre typer oppladbare batterier av samme størrelse.Elektrodene til et litium-ion-batteri er laget av lett litium og karbon.Litium er også et svært reaktivt element, noe som betyr at mye energi kan lagres i atombindingene.Dette gir en svært høy energitetthet for litium-ion-batterier.Her er en måte å få et perspektiv på energitetthet.Et typisk litium-ion-batteri kan lagre 150 watt-timer elektrisitet i 1 kilo batteri.En NiMH (nikkel-metallhydrid) batteripakke kan lagre kanskje 100 watt-timer per kilogram, selv om 60 til 70 watt-timer kan være mer typisk.Et blybatteri kan lagre bare 25 watt-timer per kilo.Ved å bruke bly-syre-teknologi tar det 6 kilo for å lagre samme mengde energi som et 1-kilos litium-ion-batteri kan håndtere.Det er en stor forskjell [kilde: Everything2.com ].

● De holder ansvaret.En litiumion-batteripakke mister bare omtrent 5 prosent av ladningen sin per måned, sammenlignet med et tap på 20 prosent per måned for NiMH-batterier.

● De har ingen minneeffekt, noe som betyr at du ikke trenger å lade dem helt ut før de lades, som med noen andre batterikjemier.

● Litium-ion-batterier kan håndtere hundrevis av lade-/utladingssykluser.

● Det betyr ikke at litium-ion-batterier er feilfrie.De har også noen ulemper:

● De begynner å nedverdige så snart de forlater fabrikken.De vil bare vare to eller tre år fra produksjonsdatoen, enten du bruker dem eller ikke.

● De er ekstremt følsomme for høye temperaturer.Varme gjør at litium-ion-batteripakker brytes ned mye raskere enn de normalt ville gjort.

● Hvis du tømmer et litiumionbatteri fullstendig, er det ødelagt.

● En litiumionbatteripakke må ha en innebygd datamaskin for å håndtere batteriet.Dette gjør dem enda dyrere enn de allerede er.

● Det er en liten sjanse for at hvis en litiumion-batteripakke svikter, vil den brenne.

Innovasjonsbasert standardinnstilling

På grunn av kompleksiteten i lithium-ion-batterisikkerhetsmekanismen, spesielt innvirkningen på sikkerheten etter gjenbruk av batteriene, bør prosessen med å forstå litium-ion-batterisikkerhet og sette standardene være gradvis og progressiv.Og utvikling og anvendelse av eksterne kontrollteknikker bør også vurderes.Su foreslo det som innstilling Litium-ion-batteri sikkerhetsstandarder er en svært teknisk jobb, både fagfolk som setter standarder fra batteristandardiseringsorganer og tekniske spesialister fra batteriindustrien, brukere og elektroniske kontrollområder bør delta i prosessen, inkludert eksperimentelle verifikasjonsarbeider.

Senioringeniør fra China Electronics Standardization Institute, Mr Sun Chuanhao, sa at litium-ion-batterier for tiden kan deles inn i energityper og strømtyper.Siden disse to produktene har forskjeller i materialer og designstrukturer, er deres testmetoder og krav forskjellige, selv under de samme sikkerhetsforholdene.De såkalte bærbare batteriene tilhører energitypen, inkludert Lithium-ion-batterier som brukes i mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, digitale kameraer og videokameraer, mens strømtypen batteri er for elektroverktøy, elektriske sykler og elektriske kjøretøy.

I følge forskningsorganisasjonen BloombergNEF falt den volumveide gjennomsnittlige prisen på litiumionbatteripakken (som inkluderer cellen og pakken) 85 % fra 2010-18, og nådde et gjennomsnitt på 176 dollar/kWh.BloombergNEF anslår videre at prisene vil falle til $94/kWh innen 2024 og $62/kWh innen 2030.

Denne synkende kostnadskurven har viktige implikasjoner for ethvert selskap som bruker batterier i sin tjeneste, eller for de som har behov for å lagre energi (f.eks. kraftprodusenter).Til dags dato har det meste salget av litiumionbatterier vært innen forbrukerelektronikk, men fremtidig salg vil i økende grad drives av elbiler.

De fleste biler på veiene i dag bruker fortsatt et blybatteri og en forbrenningsmotor.Men salget av elektriske kjøretøy – drevet av litium-ion-batterier – har økt mer enn tidoblet de siste fem årene.Videre setter flere og flere land fremtidige forbud mot biler basert på intern forbrenning, med forventning om at elektriske kjøretøy til slutt vil dominere personlig transport.

Dette betyr selvsagt langt større fremtidig etterspørsel etter batterier.Så mye at elbilprodusenten Tesla, i samarbeid med Panasonic, investerer milliarder av dollar for å bygge nye litiumionbatterifabrikker.Likevel faller amerikanske litiumionbatteriprodusenter etter i markedsandeler.

Et relatert vekstmarked for litium-ion-batterier er i tunge industrielle applikasjoner som løftebiler, feiemaskiner og scrubbere, bakkestøtteapplikasjoner på flyplasser og automatiske veiledede kjøretøyer (AGV).Disse nisjeapplikasjonene har historisk vært tjent med blybatterier og forbrenningsmotorer, men økonomien har raskt endret seg til fordel for litiumionbatterier.

Kina i førersetet

I følge en analyse fra BloombergNEF var det tidlig i 2019 316 gigawatt-timer (GWh) global produksjonskapasitet for litiumceller.Kina har 73 % av denne kapasiteten, fulgt av USA, langt bak på andreplass med 12 % av den globale kapasiteten.

Global kapasitet anslås å vokse kraftig innen 2025 når BloombergNEF anslår 1211 GWh global kapasitet.Kapasiteten i USA anslås å vokse, men langsommere enn den globale kapasiteten.Dermed anslås den amerikanske andelen av global litiumcelleproduksjon å krympe.

Tesla prøver å løse dette problemet ved å bygge sine egne batterifabrikker, men for selskaper som leverer et bredt spekter av denne typen batterier, som California-baserte OneCharge, har det vist seg å være utfordrende å finne lokale leverandører.Jeg snakket nylig med OneCharge-sjef Alex Pisarev, som fremhevet utfordringene selskapet hans har møtt:

"Amerikanske produsenter vil gjerne bruke USA-lagde litiumionceller," sa Pisarev til meg, "men dette er ikke realistisk i dag.Så vi må fortsette å importere dem fra Kina.»

Kina tar samme vei som tidligere med solcellepaneler.Mens solceller ble oppfunnet av den amerikanske ingeniøren Russell Ohl, dominerer Kina i dag det globale solcellemarkedet.Nå er Kina fokusert på å kontrollere verdens produksjon av litiumion-batterier.

Er det å foretrekke å ha den billigste mulige grønne teknologien, selv om det betyr å overgi produksjonen til andre land?Lave priser på solcellepaneler har bidratt til en eksplosjon av ny solcelle-PV-vekst, og det har igjen støttet mange amerikanske jobber.Men hoveddelen av disse panelene er laget i Kina.Trump-administrasjonen har forsøkt å adressere dette ved å sette toll på importerte solcellepaneler, men disse tariffene har blitt kraftig motarbeidet av det meste av den amerikanske solenergiindustrien.

Kina har en stor fordel med billig arbeidskraft, som har tillatt det å dominere mange produksjonsindustrier.Men Kina har også flere litiumreserver og mye større litiumproduksjon enn USA. I 2018 var den kinesiske litiumproduksjonen 8000 tonn, tredje blant alle land og nesten ti ganger amerikansk litiumproduksjon.Kinesiske litiumreserver i 2018 var en million tonn, nesten 30 ganger amerikanske nivåer.

Veien videre

Trendene signaliserer at litium-ion-batterier i økende grad vil fortrenge bly-syre-batterier i transport og tungt utstyr.Dette er en kritisk utvikling i en verden som sliter med rekordhøye karbondioksidutslipp.

Men med en slik fordel i både produksjonskostnader og tilgjengelighet av råvarer, kan USA konkurrere med Kina på verdensmarkedet?Hvis ikke, kan USA utvikle et konkurransedyktig marked for resirkulert litium ettersom et økende antall litium-ion-batterier når slutten av levetiden?

Dette er viktige spørsmål som må løses.

Det er uklart hvordan Kina vil takle slike utfordringer, men gitt dens nådeløse jakten på litium, og den strategiske betydningen det tillegger metallet, vil løsninger uten tvil bli funnet.På mange måter er Kinas omfavnelse av grønn transport en god ting, siden det utvider interessen for sektoren og ansporer konkurrentnasjoner til å prøve å ta igjen når det gjelder deres andel av litiumforsyningen og markedet for oppladbare batterier.Faren er at de fortsetter å henge etter, og etterlater Kina med monopol på det som snart kan bli en vanlig transportsektor.

Følg meg på Twitter eller LinkedIn .Sjekk ut min nettsted eller noe av mitt andre arbeid her.