Почему Китай может доминировать в производстве литий-ионных аккумуляторов

Является ли литий-ионный аккумулятор идеальным?

В течение многих лет никель-кадмиевые батареи были единственной подходящей батареей для портативного оборудования — от беспроводной связи до мобильных компьютеров. Никель-металл-гидридные и литий-ионные технологии появились в начале 1990-х годов, когда они боролись лицом к лицу за признание потребителей. Сегодня литий-ионные аккумуляторы являются наиболее быстрорастущими и перспективными.

Мир становится все более электрифицированным. Развивающиеся страны не только увеличивают доступность электроэнергии для своего населения, но и электрификация существующей транспортной инфраструктуры происходит быстрыми темпами. По прогнозам, к 2040 году более половины автомобилей на дорогах будут работать на электричестве.

Краткая история батарей

Батарейки уже давно вошли в нашу повседневную жизнь. Первая в мире настоящая батарея была изобретена в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольтой. Это изобретение представляло собой выдающийся прорыв, но с тех пор было сделано лишь несколько значительных инноваций.

Первой была свинцово-кислотная батарея, изобретенная в 1859 году. Это была первая перезаряжаемая батарея, которая до сих пор является наиболее распространенной батареей, используемой для запуска двигателей внутреннего сгорания.

За последние два столетия было создано несколько инновационных конструкций аккумуляторов, но только в 1980 году был изобретен настоящий переломный момент. Именно тогда открытия Оксфордского и Стэнфордского университетов привели к разработке литий-ионной батареи. Sony выпустила на рынок первую литий-ионную батарею в 1991 году.

Что такого особенного в литии?

Литий во многих отношениях является особым металлом. Он легкий и мягкий — настолько мягкий, что его можно резать кухонным ножом, и настолько низкий по плотности, что плавает на воде. Он также тверд в широком диапазоне температур, имеет одну из самых низких температур плавления среди всех металлов и высокую температуру кипения.

Как и его собратья по щелочному металлу, натрий, литий эффектно реагирует с водой. Комбинация Li и H2O образует гидроксид лития и водород, которые обычно загораются красным пламенем.

Есть много аспектов, Литий-ионный аккумулятор безопасность на протяжении всего процесса проектирования, включая безопасную конструкцию батареи, безопасное сырье, защитные функции и сертификаты безопасности. В интервью China Electronics News г-н Су Цзиньран, заместитель главного инженера, сказал, что безопасность продукции начинается с ее проектирования, поэтому выбор правильных материалов электродов, сепараторов и электролитов является главным приоритетом для безопасной конструкции батареи. Что касается анодных материалов аккумуляторов, то тройные материалы, марганец-литий и литий-железо-фосфат, которые широко используются в конструкции аккумуляторов и показали удовлетворительные характеристики, более безопасны, чем традиционные литий-кобальтат и никель-литий.

Литий-ионные аккумуляторы популярны, поскольку имеют ряд важных преимуществ перед конкурирующими технологиями:

● Как правило, они намного легче других типов аккумуляторных батарей того же размера. Электроды литий-ионного аккумулятора изготовлены из легкого лития и углерода. Литий также является высокореактивным элементом, а это означает, что в его атомных связях может храниться много энергии. Это приводит к очень высокой плотности энергии литий-ионных батарей. Вот способ получить представление о плотности энергии. Типичная литий-ионная батарея может хранить 150 ватт-часов электроэнергии в 1 килограмме батареи. NiMH (никель-металлогидридная) аккумуляторная батарея может хранить около 100 ватт-часов на килограмм, хотя более типичным может быть от 60 до 70 ватт-часов. Свинцово-кислотная батарея может хранить только 25 ватт-часов на килограмм. При использовании свинцово-кислотной технологии для хранения того же количества энергии, которое может выдержать 1-килограммовая литий-ионная батарея, требуется 6 килограммов. Это огромная разница [источник: Все2.com ].

● Они держат заряд. Литий-ионный аккумулятор теряет лишь около 5 процентов своего заряда в месяц по сравнению с 20-процентной потерей заряда в месяц для NiMH-аккумуляторов.

● Они не имеют эффекта памяти, что означает, что вам не придется полностью разряжать их перед зарядкой, как в случае с батареями некоторых других химических типов.

● Литий-ионные аккумуляторы выдерживают сотни циклов зарядки/разрядки.

● Это не означает, что литий-ионные аккумуляторы безупречны. Есть у них и ряд недостатков:

● Они начинают разлагаться, как только покидают завод. Они прослужат всего два-три года с даты изготовления, независимо от того, используете вы их или нет.

● Они чрезвычайно чувствительны к высоким температурам. Нагрев приводит к тому, что литий-ионные аккумуляторы разлагаются гораздо быстрее, чем обычно.

● Если полностью разрядить литий-ионный аккумулятор, он выйдет из строя.

● Литий-ионный аккумулятор должен иметь бортовой компьютер для управления аккумулятором. Это делает их еще дороже, чем они есть сейчас.

● Существует небольшая вероятность того, что в случае выхода из строя литий-ионного аккумулятора он загорится.

Установление стандартов на основе инноваций

Из-за сложности механизма безопасности литий-ионных батарей, особенно влияния на безопасность после повторного использования батарей, процесс понимания безопасности литий-ионных батарей и установления ее стандартов должен быть постепенным и прогрессивным. Также следует рассмотреть возможность разработки и применения методов внешнего контроля. Су предположил, что в качестве настройки Литий-ионный аккумулятор Стандарты безопасности — это высокотехнологичная работа, в этом процессе, включая работы по экспериментальной проверке, должны участвовать как специалисты по стандартизации из органов по стандартизации аккумуляторов, так и технические специалисты аккумуляторной промышленности, пользователи и области электронного управления.

Старший инженер Китайского института стандартизации электроники г-н Сунь Чуанхао сказал, что литий-ионные батареи в настоящее время можно разделить на типы энергии и типы мощности. Поскольку эти два продукта имеют различия в материалах и конструкции, методы их испытаний и требования различаются даже в одинаковых условиях безопасности. К энергетическому типу относятся так называемые портативные аккумуляторы, в том числе литий-ионные, используемые в мобильных телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах и ​​видеокамерах, а аккумуляторы силового типа предназначены для электроинструментов, электровелосипедов и электромобилей.

По данным исследовательской организации BloombergNEF, средневзвешенная по объему цена литий-ионного аккумулятора (включая элемент и блок) упала на 85% в период с 2010 по 2018 год, достигнув в среднем 176 долларов США за кВтч. BloombergNEF далее прогнозирует, что цены упадут до $94/кВтч к 2024 году и до $62/кВтч к 2030 году.

Эта снижающаяся кривая затрат имеет важные последствия для любой компании, которая использует батареи в своих услугах, или для тех, кому необходимо хранить энергию (например, производители электроэнергии). На сегодняшний день большая часть продаж литий-ионных аккумуляторов приходится на сектор бытовой электроники, но в будущем продажи будут во все большей степени определяться электромобилями.

Сегодня большинство автомобилей на дорогах по-прежнему используют свинцово-кислотные аккумуляторы и двигатели внутреннего сгорания. Но продажи электромобилей, работающих на литий-ионных батареях, за последние пять лет выросли более чем в десять раз. Кроме того, все больше и больше стран вводят в будущем запреты на автомобили внутреннего сгорания, ожидая, что электромобили в конечном итоге будут доминировать в личном транспорте.

Это, конечно, означает гораздо больший будущий спрос на батареи. Настолько, что производитель электромобилей Tesla в партнерстве с Panasonic инвестирует миллиарды долларов в строительство новых заводов по производству литий-ионных аккумуляторов. Тем не менее, американские производители литий-ионных аккумуляторов отстают по доле рынка.

Соответствующий растущий рынок литий-ионных батарей находится в тяжелой промышленности, такой как погрузчики, подметальные машины и скрубберы, наземное оборудование в аэропортах и ​​транспортные средства с автоматическим управлением (AGV). Эти нишевые приложения исторически использовались свинцово-кислотными батареями и двигателями внутреннего сгорания, но экономика быстро сместилась в пользу литий-ионных батарей.

Китай на месте водителя

Согласно анализу BloombergNEF, в начале 2019 года мировые мощности по производству литиевых элементов составляли 316 гигаватт-часов (ГВтч). В Китае сосредоточено 73% этих мощностей, за ним следуют США, которые с большим отставанием занимают второе место с 12% мировых мощностей.

Прогнозируется, что к 2025 году глобальная мощность будет активно расти, когда BloombergNEF прогнозирует 1211 ГВтч глобальной мощности. По прогнозам, мощность в США будет расти, но медленнее, чем глобальная мощность. Таким образом, доля США в мировом производстве литиевых элементов, по прогнозам, сократится.

Tesla пытается решить эту проблему, строя собственные заводы по производству аккумуляторов, но для компаний, поставляющих широкий спектр аккумуляторов этих типов, таких как калифорнийская OneCharge, поиск местных поставщиков оказался сложной задачей. Недавно я разговаривал с генеральным директором OneCharge Алексом Писаревым, который рассказал о проблемах, с которыми столкнулась его компания:

«Американские производители были бы рады использовать литий-ионные элементы американского производства, — сказал мне Писарев, — но сегодня это нереально. Поэтому нам придется продолжать импортировать их из Китая».

Китай идет по тому же пути, что и раньше, с солнечными панелями. Хотя солнечные элементы были изобретены американским инженером Расселом Олом, сегодня Китай доминирует на мировом рынке солнечных панелей. Сейчас Китай сосредоточен на контроле над мировым производством литий-ионных аккумуляторов.

Предпочтительно ли иметь самые дешевые «зеленые» технологии, даже если это означает передачу производства другим странам? Низкие цены на солнечные панели способствовали взрывному росту новых солнечных фотоэлектрических систем, что, в свою очередь, способствовало созданию многих рабочих мест в США. Но большая часть этих панелей производится в Китае. Администрация Трампа попыталась решить эту проблему, установив пошлины на импортные солнечные панели, но против этих тарифов решительно выступила большая часть солнечной промышленности США.

У Китая есть главное преимущество – дешевая рабочая сила, которая позволила ему доминировать во многих обрабатывающих отраслях. Но у Китая также больше запасов лития и гораздо больше производства лития, чем в США. В 2018 году производство лития в Китае составило 8000 метрических тонн, что является третьим среди всех стран и почти в десять раз превышает производство лития в США. Запасы лития в Китае в 2018 году составили один миллион тонн, что почти в 30 раз превышает уровень США.

Путь вперед

Тенденции сигнализируют о том, что литий-ионные аккумуляторы будут все больше вытеснять свинцово-кислотные аккумуляторы в секторах транспорта и тяжелого оборудования. Это важнейшее событие в мире, борющемся с рекордными выбросами углекислого газа.

Но с таким преимуществом как в производственных затратах, так и в доступности сырья, смогут ли США конкурировать с Китаем на мировом рынке? В противном случае, поскольку все большее количество литий-ионных батарей подходит к концу своего срока службы, могут ли США создать конкурентоспособный рынок для переработанного лития?

Это важные вопросы, которые необходимо решить.

Неясно, как Китай справится с такими проблемами, но, учитывая его неустанную погоню за литием и стратегическое значение, которое он придает этому металлу, решения, несомненно, будут найдены. Во многих отношениях переход Китая к «зеленому» транспорту — это хорошо, поскольку он расширяет интерес к этому сектору и побуждает страны-конкуренты попытаться догнать его по объему поставок лития и рынка перезаряжаемых батарей. Опасность заключается в том, что они продолжают отставать, оставляя Китаю монополию на то, что вскоре может стать основным транспортным сектором.

Следуй за мной Твиттер или LinkedIn . зацени мой веб-сайт или некоторые другие мои работы здесь.