Dlaczego Chiny mogą zdominować produkcję akumulatorów litowo-jonowych

Czy bateria litowo-jonowa jest idealna?

Przez wiele lat akumulatory niklowo-kadmowe były jedyną odpowiednią baterią do sprzętu przenośnego, od komunikacji bezprzewodowej po komputery przenośne. Na początku lat 90. XX w. pojawiły się niklowo-metalowo-wodorkowe i litowo-jonowe technologie, walczące od nosa do nosa o akceptację klientów. Obecnie najszybciej rozwijającą się i najbardziej obiecującą chemią akumulatorów jest litowo-jonowy.

Świat staje się coraz bardziej zelektryfikowany. Kraje rozwijające się nie tylko zwiększają dostępność energii elektrycznej dla swoich społeczeństw, ale elektryfikacja istniejącej infrastruktury transportowej postępuje w szybkim tempie. Przewiduje się, że do 2040 r. ponad połowa samochodów poruszających się po drogach będzie napędzana energią elektryczną.

Krótka historia baterii

Baterie są częścią naszego codziennego życia od dawna. Pierwszą na świecie prawdziwą baterię wynalazł w 1800 roku włoski fizyk Alessandro Volta. Wynalazek stanowił niezwykły przełom, ale od tego czasu wprowadzono tylko kilka znaczących innowacji.

Pierwszym z nich był akumulator kwasowo-ołowiowy, który został wynaleziony w 1859 roku. Był to pierwszy akumulator, który do dziś jest najpopularniejszym akumulatorem używanym do rozruchu silników spalinowych.

W ciągu ostatnich dwóch stuleci wprowadzono kilka innowacyjnych projektów akumulatorów, ale dopiero w 1980 r. wynaleziono coś, co naprawdę zmieniło zasady gry. Wtedy właśnie przełomy na Uniwersytecie Oksfordzkim i Uniwersytecie Stanforda doprowadziły do ​​opracowania akumulatora litowo-jonowego. Firma Sony wprowadziła na rynek pierwszą baterię litowo-jonową w 1991 roku.

Co jest takiego specjalnego w litu?

Lit jest metalem wyjątkowym pod wieloma względami. Jest lekki i miękki — tak miękki, że można go kroić nożem kuchennym, a jego gęstość jest tak niska, że ​​unosi się na wodzie. Jest również stały w szerokim zakresie temperatur, ma jedną z najniższych temperatur topnienia ze wszystkich metali i wysoką temperaturę wrzenia.

Podobnie jak inny metal alkaliczny, sód, lit reaguje z wodą w efektownej formie. Połączenie Li i H2O tworzy wodorotlenek litu i wodór, które zazwyczaj wybuchają czerwonym płomieniem.

Jest wiele aspektów Bateria litowo-jonowa bezpieczeństwo w całym procesie projektowania, w tym bezpieczną konstrukcję baterii, bezpieczne surowce, funkcje ochronne i certyfikaty bezpieczeństwa. W wywiadzie dla China Electronics News pan Su Jinran, zastępca głównego inżyniera, powiedział, że bezpieczeństwo produktu zaczyna się od projektu produktu, dlatego wybór odpowiednich materiałów na elektrody, separatory i elektrolity jest pierwszym priorytetem przy projektowaniu bezpiecznych akumulatorów. W przypadku materiałów anodowych akumulatorów materiały trójskładnikowe, lit manganowy i fosforan litowo-żelazowy, które są szeroko stosowane w projektowaniu akumulatorów i zapewniają zadowalającą wydajność, są bezpieczniejsze niż tradycyjny kobaltan litu i lit niklowy.

Baterie litowo-jonowe są popularne, ponieważ mają szereg istotnych zalet w stosunku do konkurencyjnych technologii:

● Są na ogół znacznie lżejsze niż inne typy akumulatorów tej samej wielkości. Elektrody akumulatora litowo-jonowego wykonane są z lekkiego litu i węgla. Lit jest również pierwiastkiem wysoce reaktywnym, co oznacza, że ​​w jego wiązaniach atomowych można zmagazynować dużo energii. Przekłada się to na bardzo dużą gęstość energii w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Oto sposób, aby uzyskać pogląd na gęstość energii. Typowy akumulator litowo-jonowy może przechowywać 150 watogodzin energii elektrycznej w 1 kilogramie akumulatora. Zestaw akumulatorów NiMH (niklowo-metalowo-wodorkowych) może pomieścić około 100 watogodzin na kilogram, chociaż bardziej typowe może być 60 do 70 watogodzin. Akumulator kwasowo-ołowiowy może przechowywać tylko 25 watogodzin na kilogram. Dzięki technologii kwasowo-ołowiowej potrzeba 6 kilogramów, aby zmagazynować taką ilość energii, jaką jest w stanie obsłużyć 1-kilogramowy akumulator litowo-jonowy. To ogromna różnica [źródło: Everything2.com ]

● Trzymają ładunek. Pakiet akumulatorów litowo-jonowych traci tylko około 5 procent ładunku miesięcznie, w porównaniu do 20 procent utraty miesięcznie w przypadku akumulatorów NiMH.

● Nie mają efektu pamięci, co oznacza, że ​​nie trzeba ich całkowicie rozładowywać przed ponownym ładowaniem, jak ma to miejsce w przypadku niektórych akumulatorów o innym składzie chemicznym.

● Baterie litowo-jonowe wytrzymują setki cykli ładowania/rozładowania.

● Nie oznacza to, że akumulatory litowo-jonowe są bezbłędne. Mają też kilka wad:

● Zaczynają się rozkładać zaraz po opuszczeniu fabryki. Bez względu na to, czy będziesz ich używać, czy nie, wytrzymają tylko dwa lub trzy lata od daty produkcji.

● Są niezwykle wrażliwe na wysokie temperatury. Ciepło powoduje, że akumulatory litowo-jonowe niszczą się znacznie szybciej niż zwykle.

● Jeśli całkowicie rozładujesz akumulator litowo-jonowy, ulegnie on zniszczeniu.

● Zestaw akumulatorów litowo-jonowych musi być wyposażony w komputer pokładowy zarządzający akumulatorem. To sprawia, że ​​są one jeszcze droższe niż obecnie.

● Istnieje niewielka szansa, że ​​w przypadku awarii akumulatora litowo-jonowego wybuchnie on płomieniem.

Ustalanie standardów oparte na innowacjach

Ze względu na złożoność mechanizmu bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych, a zwłaszcza wpływ na bezpieczeństwo po ponownym użyciu akumulatorów, proces zrozumienia bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych i ustalania jego standardów powinien przebiegać stopniowo i stopniowo. Należy również rozważyć rozwój i zastosowanie technik kontroli zewnętrznej. Su zasugerował to jako ustawienie Bateria litowo-jonowa standardy bezpieczeństwa to zadanie wysoce techniczne, w procesie, w tym w eksperymentalnych pracach weryfikacyjnych, powinni uczestniczyć zarówno specjaliści ustanawiający normy z organów normalizacyjnych akumulatorów, jak i specjaliści techniczni z branży akumulatorów, użytkownicy i obszary sterowania elektronicznego.

Starszy inżynier z Chińskiego Instytutu Normalizacji Elektroniki, Sun Chuanhao, powiedział, że akumulatory litowo-jonowe można obecnie podzielić na rodzaje energii i rodzaje mocy. Ponieważ te dwa produkty różnią się materiałami i konstrukcją, ich metody testowania i wymagania są odmienne, nawet w tych samych warunkach bezpieczeństwa. Do rodzaju energii zaliczają się tzw. akumulatory przenośne, do których zaliczają się akumulatory litowo-jonowe stosowane w telefonach komórkowych, laptopach, aparatach cyfrowych i kamerach wideo, natomiast akumulatory typu power przeznaczone są do elektronarzędzi, rowerów elektrycznych i pojazdów elektrycznych.

Według organizacji badawczej BloombergNEF średnia ważona wolumenowo cena pakietu akumulatorów litowo-jonowych (obejmująca ogniwo i pakiet) spadła o 85% w latach 2010–2018, osiągając średnio 176 dolarów/kWh. BloombergNEF przewiduje ponadto, że ceny spadną do 94 USD/kWh do 2024 r. i 62 USD/kWh do 2030 r.

Ta malejąca krzywa kosztów ma ważne implikacje dla każdej firmy wykorzystującej baterie w swoich usługach lub dla tych, które muszą magazynować energię (np. producenci energii). Do tej pory większość sprzedaży akumulatorów litowo-jonowych dotyczyła sektora elektroniki użytkowej, ale w przyszłości sprzedaż będzie w coraz większym stopniu napędzana samochodami elektrycznymi.

Większość współczesnych samochodów na drogach nadal wykorzystuje akumulator kwasowo-ołowiowy i silnik spalinowy. Jednak sprzedaż pojazdów elektrycznych – zasilanych akumulatorami litowo-jonowymi – wzrosła ponad dziesięciokrotnie w ciągu ostatnich pięciu lat. Co więcej, coraz więcej krajów wprowadza przyszłe zakazy dotyczące samochodów spalinowych, oczekując, że pojazdy elektryczne ostatecznie zdominują transport osobisty.

To oczywiście oznacza znacznie większe przyszłe zapotrzebowanie na baterie. Do tego stopnia, że ​​producent pojazdów elektrycznych Tesla we współpracy z firmą Panasonic inwestuje miliardy dolarów w budowę nowych fabryk akumulatorów litowo-jonowych. Niemniej jednak amerykańscy producenci akumulatorów litowo-jonowych pozostają w tyle pod względem udziału w rynku.

Powiązany rynek wzrostu akumulatorów litowo-jonowych obejmuje zastosowania w przemyśle ciężkim, takie jak wózki podnośnikowe, zamiatarki i szorowarki, zastosowania w obsłudze naziemnej lotnisk oraz pojazdy kierowane automatycznie (AGV). W przeszłości te niszowe zastosowania były obsługiwane przez akumulatory kwasowo-ołowiowe i silniki spalinowe, ale ekonomia szybko zmieniła się na korzyść akumulatorów litowo-jonowych.

Chiny na siedzeniu kierowcy

Według analizy BloombergNEF na początku 2019 r. globalne zdolności produkcyjne ogniw litowych wynosiły 316 gigawatogodzin (GWh). W Chinach znajduje się 73% tej mocy, a za nimi plasują się Stany Zjednoczone, daleko w tyle, zajmujące drugie miejsce z 12% globalnych mocy produkcyjnych.

Przewiduje się, że światowa moc wydobywcza znacząco wzrośnie do 2025 r., kiedy BloombergNEF prognozuje 1211 GWh globalnej zdolności wydobywczej. Przewiduje się, że moce produkcyjne w USA będą rosły, ale wolniej niż moce światowe. W związku z tym przewiduje się, że udział Stanów Zjednoczonych w światowej produkcji ogniw litowych będzie się zmniejszał.

Tesla próbuje rozwiązać ten problem, budując własne fabryki akumulatorów, jednak dla firm dostarczających szeroką gamę tego typu akumulatorów, takich jak kalifornijska firma OneCharge, znalezienie lokalnych dostawców okazało się wyzwaniem. Niedawno rozmawiałem z dyrektorem generalnym OneCharge Alexem Pisarevem, który podkreślił wyzwania, przed którymi stoi jego firma:

„Amerykańscy producenci chętnie zastosowaliby wyprodukowane w USA ogniwa litowo-jonowe” – powiedział mi Pisarev, „ale obecnie nie jest to realistyczne. Musimy więc nadal importować je z Chin”.

Chiny podążają tą samą drogą, którą podążały wcześniej w przypadku paneli słonecznych. Chociaż ogniwa słoneczne zostały wynalezione przez amerykańskiego inżyniera Russella Ohla, dziś Chiny dominują na światowym rynku paneli słonecznych. Teraz Chiny skupiają się na kontrolowaniu światowej produkcji akumulatorów litowo-jonowych.

Czy lepiej jest mieć możliwie najtańsze ekologiczne technologie, nawet jeśli oznacza to rezygnację z produkcji na rzecz innych krajów? Niskie ceny paneli słonecznych pomogły wywołać eksplozję wzrostu nowych fotowoltaiki, co z kolei wsparło wiele miejsc pracy w USA. Ale większość tych paneli jest produkowana w Chinach. Administracja Trumpa próbowała rozwiązać ten problem, nakładając cła na importowane panele słoneczne, ale większość amerykańskiego przemysłu fotowoltaicznego stanowczo sprzeciwiała się tym cłom.

Chiny mają ogromną przewagę w postaci taniej siły roboczej, co pozwoliło im zdominować wiele gałęzi przemysłu wytwórczego. Ale Chiny mają również większe rezerwy litu i znacznie większą produkcję litu niż Stany Zjednoczone. W 2018 r. chińska produkcja litu wyniosła 8 000 ton, co stanowiło trzecią pozycję wśród wszystkich krajów i prawie dziesięciokrotność produkcji litu w USA. Chińskie rezerwy litu w 2018 r. wyniosły milion ton, czyli prawie 30 razy więcej niż w USA.

Ścieżka naprzód

Trendy sygnalizują, że akumulatory litowo-jonowe będą w coraz większym stopniu wypierać akumulatory kwasowo-ołowiowe w sektorze transportu i sprzętu ciężkiego. Jest to krytyczna zmiana w świecie zmagającym się z rekordową emisją dwutlenku węgla.

Czy jednak mając taką przewagę zarówno pod względem kosztów produkcji, jak i dostępności surowców, Stany Zjednoczone mogą konkurować z Chinami na rynku światowym? Jeżeli nie, czy w miarę jak rosnąca liczba akumulatorów litowo-jonowych dobiega końca okres ich użytkowania, Stany Zjednoczone mogą stworzyć konkurencyjny rynek litu pochodzącego z recyklingu?

To ważne pytania, którymi należy się zająć.

Nie jest jasne, jak Chiny poradzą sobie z takimi wyzwaniami, ale biorąc pod uwagę ich nieustanną pogoń za litem i strategiczne znaczenie, jakie przywiązują do tego metalu, bez wątpienia znajdą rozwiązania. Pod wieloma względami przyjęcie przez Chiny ekologicznego transportu jest dobrą rzeczą, ponieważ zwiększa zainteresowanie tym sektorem i zachęca konkurencyjne kraje do prób nadrobienia zaległości pod względem udziału w dostawach litu i rynku akumulatorów. Niebezpieczeństwo polega na tym, że nadal pozostają w tyle, pozostawiając Chinom monopol na sektor transportu, który wkrótce może stać się głównym nurtem.

Śledź mnie dalej Świergot Lub LinkedIn . Sprawdź moje strona internetowa lub inne moje prace tutaj.