Varför Kina kan dominera produktionen av litiumjonbatterier

Är litiumjon det perfekta batteriet?

Under många år hade nickel-kadmium varit det enda lämpliga batteriet för bärbar utrustning från trådlös kommunikation till mobil datoranvändning.Nickel-metallhydrid och litiumjon dök upp i början av 1990-talet och kämpade näsa mot näsa för att få kundens acceptans.Idag är litiumjon den snabbast växande och mest lovande batterikemin.

Världen blir allt mer elektrifierad.Utvecklingsländerna ökar inte bara tillgången på elektricitet för sina befolkningar, utan elektrifieringen av befintlig transportinfrastruktur går i snabb takt.År 2040 beräknas över hälften av bilarna på vägarna drivas med el.

En kort historia om batterier

Batterier har varit en del av vårt dagliga liv under lång tid.Världens första riktiga batteri uppfanns år 1800 av den italienske fysikern Alessandro Volta.Uppfinningen representerade ett anmärkningsvärt genombrott, men sedan dess har det bara funnits en handfull betydande innovationer.

Det första var blybatteriet, som uppfanns 1859. Detta var det första uppladdningsbara batteriet och är fortfarande det vanligaste batteriet som används för att starta förbränningsmotorer idag.

Det har funnits några innovativa batteridesigner under de senaste två århundradena, men det var inte förrän 1980 som en riktig spelväxlare uppfanns.Det var då genombrott vid University of Oxford och Stanford University ledde till utvecklingen av litiumjonbatteriet.Sony kommersialiserade det första litiumjonbatteriet 1991.

Vad är så speciellt med litium?

Litium är en speciell metall på många sätt.Den är lätt och mjuk — så mjuk att den kan skäras med en kökskniv och så låg densitet att den flyter på vatten.Det är också fast vid ett brett temperaturintervall, med en av de lägsta smältpunkterna av alla metaller och en hög kokpunkt.

Liksom sin andra alkalimetall, natrium, reagerar litium med vatten i prålig form.Kombinationen av Li och H2O bildar litiumhydroxid och väte, som vanligtvis bryter ut i röd låga.

Det finns många aspekter Litium jon batteri säkerhet genom hela dess designprocesser, inklusive säker batteristruktur, säkra råmaterial, skyddsfunktioner och säkerhetscertifieringar.När han intervjuades av China Electronics News sa Su Jinran, biträdande chefsingenjör, att produktsäkerhet började i produktdesign, därför är valet av rätt elektrodmaterial, separatorer och elektrolyter första prioritet för säker batteridesign.För batterianodmaterial är ternära material, manganlitium och litiumjärnfosfat, som har använts i stor utsträckning i batteridesign och gett tillfredsställande prestanda, säkrare än traditionellt litiumkoboltat och nickellitium.

Litiumjonbatterier är populära eftersom de har ett antal viktiga fördelar jämfört med konkurrerande teknologier:

● De är i allmänhet mycket lättare än andra typer av uppladdningsbara batterier av samma storlek.Elektroderna på ett litiumjonbatteri är gjorda av lättviktslitium och kol.Litium är också ett mycket reaktivt grundämne, vilket innebär att mycket energi kan lagras i dess atombindningar.Detta leder till en mycket hög energitäthet för litiumjonbatterier.Här är ett sätt att få ett perspektiv på energitäthet.Ett typiskt litiumjonbatteri kan lagra 150 wattimmar elektricitet i 1 kilogram batteri.Ett NiMH-batteri (nickel-metallhydrid) kan lagra kanske 100 wattimmar per kilogram, även om 60 till 70 wattimmar kan vara mer typiskt.Ett blybatteri kan bara lagra 25 wattimmar per kilogram.Med blysyrateknik tar det 6 kilo att lagra samma mängd energi som ett litiumjonbatteri på 1 kilo klarar.Det är en enorm skillnad [källa: Everything2.com ].

● De behåller sitt ansvar.Ett litiumjonbatteri tappar bara cirka 5 procent av sin laddning per månad, jämfört med en förlust på 20 procent per månad för NiMH-batterier.

● De har ingen minneseffekt, vilket innebär att du inte behöver ladda ur dem helt innan de laddas, som med vissa andra batterikemier.

● Litiumjonbatterier klarar hundratals laddnings-/urladdningscykler.

● Därmed inte sagt att litiumjonbatterier är felfria.De har också några nackdelar:

● De börjar förnedra så fort de lämnar fabriken.De kommer bara att hålla i två eller tre år från tillverkningsdatumet oavsett om du använder dem eller inte.

● De är extremt känsliga för höga temperaturer.Värme gör att litiumjonbatterier bryts ned mycket snabbare än de normalt skulle göra.

● Om du laddar ur ett litiumjonbatteri helt är det förstört.

● Ett litiumjonbatteri måste ha en inbyggd dator för att hantera batteriet.Detta gör dem ännu dyrare än de redan är.

● Det finns en liten chans att ett litiumjonbatteri brinner i lågor.

Innovationsbaserad standardsättning

På grund av komplexiteten i litiumjonbatterisäkerhetsmekanismen, särskilt inverkan på säkerheten efter återanvändning av batterierna, bör processen att förstå litiumjonbatterisäkerhet och fastställa dess standarder vara gradvis och progressiv.Och utveckling och tillämpning av externa kontrolltekniker bör också övervägas.Su föreslog det som inställning Litium jon batteri säkerhetsstandarder är ett mycket tekniskt jobb, både standardinställningspersonal från batteristandardiseringsorgan och tekniska specialister från batteriindustrin, användare och elektroniska kontrollområden bör delta i processen, inklusive experimentella verifieringsarbeten.

Senior ingenjör från China Electronics Standardization Institute, Mr Sun Chuanhao, sa att litiumjonbatterier för närvarande kan delas in i energityper och krafttyper.Eftersom dessa två produkter har skillnader i material och designstrukturer är deras testmetoder och krav olika, även under samma säkerhetsförhållanden.De så kallade bärbara batterierna tillhör energitypen, inklusive litiumjonbatterier som används i mobiltelefoner, bärbara datorer, digitalkameror och videokameror, medan batteritypen power är för elverktyg, elcyklar och elfordon.

Enligt forskningsorganisationen BloombergNEF sjönk det volymvägda genomsnittliga priset på litiumjonbatteripaketet (som inkluderar cellen och paketet) med 85 % från 2010-18 och nådde ett genomsnitt på 176 USD/kWh.BloombergNEF räknar vidare med att priserna kommer att falla till 94 USD/kWh år 2024 och 62 USD/kWh till 2030.

Denna sjunkande kostnadskurva har viktiga konsekvenser för alla företag som använder batterier i sin tjänst, eller för de som har behov av att lagra energi (t.ex. kraftproducenter).Hittills har den mesta försäljningen av litiumjonbatterier skett inom hemelektroniksektorn, men den framtida försäljningen kommer i allt högre grad att drivas av elbilar.

De flesta bilar på vägarna idag använder fortfarande ett blybatteri och en förbränningsmotor.Men försäljningen av elfordon – som drivs av litiumjonbatterier – har ökat mer än tiodubblats de senaste fem åren.Vidare sätter fler och fler länder framtida förbud mot bilar baserade på förbränning, med förväntningen att elfordon så småningom kommer att dominera persontransporter.

Detta innebär naturligtvis en mycket större framtida efterfrågan på batterier.Så mycket att elfordonstillverkaren Tesla, i samarbete med Panasonic, investerar miljarder dollar för att bygga nya litiumjonbatterifabriker.Ändå halkar amerikanska litiumjonbatteritillverkare efter i marknadsandelar.

En relaterad tillväxtmarknad för litiumjonbatterier är inom tunga industriella applikationer som lyftbilar, sopmaskiner och skurmaskiner, markstödsapplikationer på flygplatser och automatiskt styrda fordon (AGV).Dessa nischapplikationer har historiskt sett betjänats av blybatterier och förbränningsmotorer, men ekonomin har snabbt skiftat till förmån för litiumjonbatterier.

Kina i förarsätet

Enligt en analys av BloombergNEF fanns det i början av 2019 316 gigawattimmar (GWh) global tillverkningskapacitet för litiumceller.Kina har 73 % av denna kapacitet, följt av USA, långt efter på andra plats med 12 % av den globala kapaciteten.

Den globala kapaciteten förväntas växa kraftigt till 2025 när BloombergNEF förutspår 1 211 GWh global kapacitet.Kapaciteten i USA förväntas växa, men långsammare än den globala kapaciteten.Således förväntas USA:s andel av den globala litiumcelltillverkningen minska.

Tesla försöker lösa detta problem genom att bygga sina egna batterifabriker, men för företag som levererar ett brett utbud av dessa typer av batterier, som Kalifornien-baserade OneCharge, har det visat sig vara en utmaning att hitta lokala leverantörer.Jag pratade nyligen med OneCharge VD Alex Pisarev, som lyfte fram de utmaningar som hans företag har ställts inför:

"Amerikanska tillverkare skulle gärna använda USA-tillverkade litiumjonceller," sa Pisarev till mig, "men detta är inte realistiskt idag.Så vi måste fortsätta importera dem från Kina.”

Kina tar samma väg som man gjorde tidigare med solpaneler.Medan solceller uppfanns av den amerikanske ingenjören Russell Ohl, dominerar idag Kina den globala solpanelsmarknaden.Nu fokuserar Kina på att kontrollera världens produktion av litiumjonbatterier.

Är det att föredra att ha den billigaste möjliga gröna tekniken, även om det innebär att man överlämnar tillverkningen till andra länder?Låga priser på solpaneler har bidragit till en explosion av ny solcellstillväxt, och det har i sin tur stöttat många jobb i USA.Men huvuddelen av dessa paneler är tillverkade i Kina.Trump-administrationen har försökt ta itu med detta genom att lägga tullar på importerade solpaneler, men dessa tullar har motarbetats kraftigt av större delen av den amerikanska solcellsindustrin.

Kina har en stor fördel med billig arbetskraft, vilket har gjort det möjligt för landet att dominera många tillverkningsindustrier.Men Kina har också fler litiumreserver och mycket större litiumproduktion än USA. År 2018 var den kinesiska litiumproduktionen 8 000 ton, trea bland alla länder och nästan tio gånger amerikansk litiumproduktion.Kinesiska litiumreserver 2018 var en miljon ton, nästan 30 gånger amerikanska nivåer.

Vägen framåt

Trenderna signalerar att litiumjonbatterier i allt större utsträckning kommer att ersätta blybatterier inom transport- och tung utrustningssektorn.Detta är en kritisk utveckling i en värld som brottas med rekordstora koldioxidutsläpp.

Men med en sådan fördel i både tillverkningskostnader och tillgång på råmaterial, kan USA konkurrera med Kina på världsmarknaden?Om inte, kan USA utveckla en konkurrenskraftig marknad för återvunnet litium när ett växande antal litiumjonbatterier når slutet av sin livslängd?

Det är viktiga frågor som måste lösas.

Det är oklart hur Kina kommer att hantera sådana utmaningar, men med tanke på dess obevekliga strävan efter litium, och den strategiska vikt det tillmäter metallen, kommer lösningar utan tvekan att hittas.På många sätt är Kinas antagande av gröna transporter en bra sak, eftersom det ökar intresset för sektorn och sporrar konkurrerande nationer att försöka komma ikapp när det gäller deras andel av litiumtillförseln och marknaden för laddningsbara batterier.Faran är att de fortsätter att släpa efter och lämnar Kina med monopol på vad som snart kan bli en vanlig transportsektor.

Följ mig på Twitter eller LinkedIn .Kolla in min hemsida eller något av mitt andra arbete här.