Prečo môže Čína dominovať vo výrobe lítium-iónových batérií

Je lítium-iónová ideálna batéria?

Po mnoho rokov bol nikel-kadmium jedinou vhodnou batériou pre prenosné zariadenia od bezdrôtovej komunikácie až po mobilné počítače.Nikel-metal-hydrid a lítium-ión sa objavili na začiatku 90-tych rokov 20. storočia v boji od nosa k nosu, aby si získal súhlas zákazníkov.Lítium-ión je dnes najrýchlejšie rastúcou a najsľubnejšou chémiou batérií.

Svet je čoraz viac elektrifikovaný.Rozvojové krajiny nielenže zvyšujú dostupnosť elektriny pre svoje obyvateľstvo, ale rýchlym tempom napreduje aj elektrifikácia existujúcej dopravnej infraštruktúry.Predpokladá sa, že do roku 2040 bude viac ako polovica áut na cestách poháňaná elektrinou.

Stručná história batérií

Batérie sú už dlho súčasťou nášho každodenného života.Prvú skutočnú batériu na svete vynašiel v roku 1800 taliansky fyzik Alessandro Volta.Vynález predstavoval pozoruhodný prielom, no odvtedy sa udialo len niekoľko významných inovácií.

Prvou bola olovená batéria, ktorá bola vynájdená v roku 1859. Bola to prvá nabíjateľná batéria a dodnes je najbežnejšou batériou používanou na štartovanie spaľovacích motorov.

V posledných dvoch storočiach sa objavilo niekoľko inovatívnych dizajnov batérií, ale až v roku 1980 bol vynájdený skutočný herný menič.To bolo, keď prelomy na Oxfordskej a Stanfordskej univerzite viedli k vývoju lítium-iónovej batérie.Spoločnosť Sony uviedla na trh prvú lítium-iónovú batériu v roku 1991.

Čo je na lítiu také zvláštne?

Lítium je v mnohých ohľadoch špeciálny kov.Je ľahký a mäkký — taký mäkký, že sa dá krájať kuchynským nožom a má takú nízku hustotu, že pláva na vode.Je tiež pevný pri širokom rozsahu teplôt, s jedným z najnižších bodov topenia zo všetkých kovov a vysokým bodom varu.

Rovnako ako jeho kolega alkalického kovu, sodík, lítium reaguje s vodou v nápadnej forme.Kombinácia Li a H2O tvorí hydroxid lítny a vodík, ktorý typicky vzbĺkne červeným plameňom.

Existuje veľa aspektov Lítium-iónová batéria bezpečnosť počas celého procesu navrhovania, vrátane bezpečnej konštrukcie batérie, bezpečných surovín, ochranných funkcií a bezpečnostných certifikácií.V rozhovore pre China Electronics News pán Su Jinran, zástupca hlavného inžiniera, povedal, že bezpečnosť produktu sa začala v dizajne produktu, preto je výber správnych materiálov elektród, separátorov a elektrolytov prvou prioritou pre bezpečný dizajn batérií.Pre anódové materiály batérií sú ternárne materiály, lítium mangán a fosforečnan lítno-železitý, ktoré sa široko používajú pri konštrukcii batérií a poskytujú uspokojivý výkon, bezpečnejšie ako tradičný kobaltát lítny a nikel-lítium.

Lítium-iónové batérie sú obľúbené, pretože majú oproti konkurenčným technológiám množstvo dôležitých výhod:

● Vo všeobecnosti sú oveľa ľahšie ako iné typy nabíjateľných batérií rovnakej veľkosti.Elektródy lítium-iónovej batérie sú vyrobené z ľahkého lítia a uhlíka.Lítium je tiež vysoko reaktívny prvok, čo znamená, že v jeho atómových väzbách je možné uložiť veľa energie.To sa premieta do veľmi vysokej hustoty energie pre lítium-iónové batérie.Tu je spôsob, ako získať pohľad na hustotu energie.Typická lítium-iónová batéria dokáže uložiť 150 watthodín elektriny v 1 kilograme batérie.Batéria NiMH (nikel-metal hydridová) dokáže uložiť približne 100 watthodín na kilogram, hoci typickejších môže byť 60 až 70 watthodín.Olovená batéria dokáže uložiť iba 25 watthodín na kilogram.Pomocou technológie olova a kyseliny je potrebných 6 kilogramov na uloženie rovnakého množstva energie, aké zvládne 1-kilogramová lítium-iónová batéria.To je obrovský rozdiel [zdroj: Všetko 2.com ].

● Držia svoj náboj.Lítium-iónová batéria stráca len asi 5 percent svojej kapacity za mesiac v porovnaní s 20 percentami straty za mesiac v prípade batérií NiMH.

● Nemajú pamäťový efekt, čo znamená, že ich pred nabíjaním nemusíte úplne vybiť, ako pri niektorých iných chemických látkach.

● Lítium-iónové batérie dokážu zvládnuť stovky cyklov nabíjania/vybíjania.

● To neznamená, že lítium-iónové batérie sú bezchybné.Majú aj niekoľko nevýhod:

● Začnú degradovať hneď, ako opustia továreň.Bez ohľadu na to, či ich používate alebo nie, vydržia iba dva alebo tri roky od dátumu výroby.

● Sú mimoriadne citlivé na vysoké teploty.Teplo spôsobuje, že lítium-iónové batérie sa degradujú oveľa rýchlejšie, než by sa bežne dialo.

● Ak lítium-iónovú batériu úplne vybijete, zničí sa.

● Lítium-iónová batéria musí mať palubný počítač na správu batérie.Vďaka tomu sú ešte drahšie, než sú.

● Existuje malá šanca, že ak lítium-iónová batéria zlyhá, vzplanie.

Štandardné nastavenie založené na inováciách

Vzhľadom na zložitosť bezpečnostného mechanizmu lítium-iónových batérií, najmä vplyv na bezpečnosť po opätovnom použití batérií, by mal byť proces pochopenia bezpečnosti lítium-iónových batérií a stanovovania jej štandardov postupný a progresívny.Mal by sa zvážiť aj vývoj a aplikácia techník externej kontroly.Su to navrhla ako nastavenie Lítium-iónová batéria bezpečnostné normy sú vysoko technickou prácou, na procese, vrátane experimentálnych overovacích prác, by sa mali zúčastňovať odborníci na stanovovanie noriem z orgánov pre normalizáciu batérií, ako aj technickí špecialisti z priemyslu batérií, používateľov a oblastí elektronického riadenia.

Senior inžinier z China Electronics Standardization Institute, pán Sun Chuanhao, povedal, že lítium-iónové batérie možno v súčasnosti rozdeliť na typy energie a typy napájania.Keďže tieto dva produkty majú rozdiely v materiáloch a konštrukčných štruktúrach, ich skúšobné metódy a požiadavky sú odlišné, dokonca aj za rovnakých bezpečnostných podmienok.Takzvané prenosné batérie patria k energetickému typu, vrátane lítium-iónových batérií používaných v mobilných telefónoch, notebookoch, digitálnych fotoaparátoch a videokamerách, zatiaľ čo batérie typu napájania sú určené pre elektrické náradie, elektrické bicykle a elektrické vozidlá.

Podľa výskumnej organizácie BloombergNEF objemovo vážená priemerná cena lítium-iónovej batérie (ktorá zahŕňa článok a súpravu) klesla v rokoch 2010-18 o 85 % a dosiahla v priemere 176 USD/kWh.BloombergNEF ďalej predpokladá, že ceny klesnú na 94 USD/kWh do roku 2024 a 62 USD/kWh do roku 2030.

Táto klesajúca krivka nákladov má dôležité dôsledky pre každú spoločnosť, ktorá využíva batérie vo svojich službách, alebo pre tie, ktoré potrebujú energiu skladovať (napr. výrobcovia elektriny).K dnešnému dňu sa väčšina lítium-iónových batérií predávala v sektore spotrebnej elektroniky, ale budúci predaj bude čoraz viac poháňať elektromobily.

Väčšina áut na cestách dnes stále používa olovenú batériu a spaľovací motor.Predaj elektrických vozidiel poháňaných lítium-iónovými batériami sa však za posledných päť rokov zvýšil viac ako desaťnásobne.Okrem toho stále viac a viac krajín stanovuje budúce zákazy pre autá na báze vnútorného spaľovania s očakávaním, že v osobnej doprave budú nakoniec dominovať elektrické vozidlá.

To samozrejme znamená oveľa väčší budúci dopyt po batériách.Až natoľko, že výrobca elektrických vozidiel Tesla v spolupráci so spoločnosťou Panasonic investuje miliardy dolárov do výstavby nových tovární na lítium-iónové batérie.Americkí výrobcovia lítium-iónových batérií však zaostávajú v podiele na trhu.

Súvisiaci rastový trh s lítium-iónovými batériami je v aplikáciách ťažkého priemyslu, ako sú vysokozdvižné vozíky, zametacie stroje a čističky, aplikácie na pozemnú podporu letísk a automaticky navádzané vozidlá (AGV).Tieto špecializované aplikácie historicky slúžili oloveným batériám a spaľovacím motorom, ale ekonomika sa rýchlo posunula v prospech lítium-iónových batérií.

Čína na sedadle vodiča

Podľa analýzy BloombergNEF bola na začiatku roka 2019 globálna výrobná kapacita lítiových článkov 316 gigawatthodín (GWh).Čína je domovom 73 % tejto kapacity, za ňou nasledujú USA, ktoré sú ďaleko za druhým s 12 % celosvetovej kapacity.

Predpokladá sa, že globálna kapacita výrazne porastie do roku 2025, keď BloombergNEF predpovedá 1 211 GWh globálnej kapacity.Predpokladá sa, že kapacita v USA porastie, no pomalšie ako celosvetová kapacita.Predpokladá sa teda, že podiel USA na celosvetovej výrobe lítiových článkov sa zníži.

Tesla sa snaží tento problém riešiť výstavbou vlastných tovární na batérie, no pre spoločnosti, ktoré dodávajú širokú škálu týchto typov batérií, ako napríklad OneCharge so sídlom v Kalifornii, sa hľadanie miestnych dodávateľov ukázalo ako náročné.Nedávno som hovoril s generálnym riaditeľom OneCharge Alexom Pisarevom, ktorý zdôraznil výzvy, ktorým jeho spoločnosť čelila:

„Americkí výrobcovia by radi použili lítium-iónové články vyrobené v USA,“ povedal mi Pisarev, „ale to dnes nie je reálne.Musíme ich teda naďalej dovážať z Číny.“

Čína sa uberá rovnakou cestou ako predtým so solárnymi panelmi.Zatiaľ čo solárne články vynašiel americký inžinier Russell Ohl, dnes globálnemu trhu solárnych panelov dominuje Čína.Teraz sa Čína zameriava na kontrolu svetovej výroby lítium-iónových batérií.

Je lepšie mať čo najlacnejšie zelené technológie, aj keď to znamená odovzdať výrobu iným krajinám?Nízke ceny solárnych panelov pomohli vyvolať explóziu rastu nových solárnych fotovoltaických zariadení, čo zase podporilo mnoho pracovných miest v USA.Väčšina týchto panelov sa však vyrába v Číne.Trumpova administratíva sa to pokúsila vyriešiť zavedením ciel na dovážané solárne panely, ale väčšina amerického solárneho priemyslu sa proti týmto clám dôrazne postavila.

Čína má veľkú výhodu lacnej pracovnej sily, ktorá jej umožnila ovládnuť mnohé výrobné odvetvia.Čína má však aj viac zásob lítia a oveľa väčšiu produkciu lítia ako USA V roku 2018 bola čínska produkcia lítia 8 000 metrických ton, čo je tretie miesto medzi všetkými krajinami a takmer desaťnásobok produkcie lítia v USA.Čínske zásoby lítia v roku 2018 predstavovali jeden milión metrických ton, čo je takmer 30-krát viac ako v USA.

Cesta vpred

Trendy signalizujú, že lítium-iónové batérie budú čoraz viac nahrádzať olovené batérie v sektore dopravy a ťažkých zariadení.Ide o kritický vývoj vo svete, ktorý zápasí s rekordnými emisiami oxidu uhličitého.

Môžu však USA s takouto výhodou výrobných nákladov a dostupnosti surovín konkurovať Číne na svetovom trhu?Ak nie, keďže rastúci počet lítium-iónových batérií dosiahne koniec svojej použiteľnosti, môžu USA vytvoriť konkurenčný trh pre recyklované lítium?

Toto sú dôležité otázky, ktoré treba riešiť.

Nie je jasné, ako sa Čína vysporiada s takýmito výzvami, ale vzhľadom na jej neúnavnú snahu o lítium a strategickú dôležitosť, ktorú kovu pripisuje, sa riešenia nepochybne nájdu.Čínske prijatie ekologickej dopravy je v mnohých ohľadoch dobrá vec, pretože rozširuje záujem o tento sektor a podnecuje konkurenčné krajiny, aby sa pokúsili dobehnúť zaostalé, pokiaľ ide o ich podiel na dodávkach lítia a trhu s dobíjacími batériami.Nebezpečenstvo spočíva v tom, že budú naďalej zaostávať a ponechajú tak Číne monopol na to, čo by sa čoskoro mohlo stať hlavným dopravným sektorom.

Nasleduj ma Twitter alebo LinkedIn .Pozrite si moje webovej stránky alebo nejaká moja iná práca tu.