Чому Китай може домінувати у виробництві літій-іонних акумуляторів

Чи є літій-іонний акумулятор ідеальним?

Протягом багатьох років нікель-кадмієвий акумулятор був єдиним придатним акумулятором для портативного обладнання від бездротового зв’язку до мобільних комп’ютерів.Нікель-метал-гідрид та літій-іон з’явилися на початку 1990-х років у прямій боротьбі за визнання клієнтів.На сьогоднішній день літій-іонні акумулятори є найшвидше зростаючим і найбільш багатообіцяючим.

Світ стає все більш електрифікованим.Країни, що розвиваються, не тільки збільшують доступність електроенергії для свого населення, але й швидкими темпами відбувається електрифікація існуючої транспортної інфраструктури.До 2040 року очікується, що більше половини автомобілів на дорогах працюватимуть на електриці.

Коротка історія батарей

Акумулятори вже давно стали частиною нашого повсякденного життя.Першу справжню батарею у світі винайшов у 1800 році італійський фізик Алессандро Вольта.Винахід став надзвичайним проривом, але з того часу було лише кілька значних інновацій.

Першою була свинцево-кислотна батарея, винайдена в 1859 році. Це була перша акумуляторна батарея, яка досі є найпоширенішою батареєю, що використовується для запуску двигунів внутрішнього згоряння.

Протягом останніх двох століть з’явилося кілька інноваційних конструкцій акумуляторів, але лише в 1980 році було винайдено реальну зміну.Саме тоді прориви в Оксфордському та Стенфордському університетах привели до розробки літій-іонної батареї.У 1991 році компанія Sony випустила на комерціалізацію перший літій-іонний акумулятор.

Що такого особливого в літії?

Літій є особливим металом у багатьох відношеннях.Він легкий і м’який — настільки м’який, що його можна різати кухонним ножем, і настільки низький за щільністю, що плаває на воді.Він також твердий у широкому діапазоні температур, має одну з найнижчих температур плавлення серед усіх металів і високу температуру кипіння.

Як і його побратим лужний метал, натрій, літій реагує з водою в ефектній формі.Комбінація Li і H2O утворює гідроксид літію та водень, які зазвичай спалахують червоним полум’ям.

Є багато аспектів Літій-іонний акумулятор безпека протягом усього процесу проектування, включаючи безпечну структуру батареї, безпечну сировину, захисні функції та сертифікати безпеки.В інтерв’ю China Electronics News пан Су Джінран, заступник головного інженера, сказав, що безпека продукту починається з розробки продукту, тому вибір правильних електродних матеріалів, сепараторів і електролітів є першочерговим завданням для безпечного дизайну акумулятора.Для анодних матеріалів для акумуляторів потрійні матеріали, марганець-літій і літій-залізофосфат, які широко використовуються в конструкції акумуляторів і забезпечують задовільну продуктивність, є більш безпечними, ніж традиційні кобальтат літію та нікель-літій.

Літій-іонні батареї популярні, тому що вони мають ряд важливих переваг перед конкурентними технологіями:

● Як правило, вони набагато легші за інші типи акумуляторних батарей такого ж розміру.Електроди літій-іонної батареї виготовлені з легкого літію та вуглецю.Літій також є дуже реактивним елементом, що означає, що в його атомних зв’язках може зберігатися багато енергії.Це означає дуже високу щільність енергії для літій-іонних батарей.Ось спосіб отримати погляд на щільність енергії.Типова літій-іонна батарея може зберігати 150 ват-годин електроенергії в 1 кілограмі батареї.NiMH (нікель-метал-гідридна) батарея може зберігати, можливо, 100 ват-годин на кілограм, хоча 60-70 ват-годин може бути більш типовим.Свинцево-кислотний акумулятор може зберігати лише 25 ват-годин на кілограм.Використовуючи свинцево-кислотну технологію, потрібно 6 кілограмів, щоб накопичити ту саму кількість енергії, яку може витримати літій-іонний акумулятор вагою 1 кілограм.Це величезна різниця [джерело: Everything2.com ].

● Вони тримають заряд.Літій-іонна батарея втрачає лише близько 5 відсотків свого заряду на місяць, порівняно з 20 відсотками на місяць для NiMH батарей.

● Вони не мають ефекту пам'яті, що означає, що вам не потрібно повністю розряджати їх перед повторним заряджанням, як у випадку з деякими іншими хімічними елементами батареї.

● Літій-іонні акумулятори витримують сотні циклів заряджання/розряджання.

● Це не означає, що літій-іонні акумулятори бездоганні.У них також є кілька недоліків:

● Вони починають деградувати, як тільки залишають фабрику.Вони прослужать лише два-три роки з дати виготовлення, незалежно від того, використовуєте ви їх чи ні.

● Вони надзвичайно чутливі до високих температур.Тепло спричиняє розкладання літій-іонних акумуляторів набагато швидше, ніж зазвичай.

● Якщо ви повністю розрядите літій-іонний акумулятор, він зіпсується.

● Літій-іонна батарея повинна мати бортовий комп’ютер для керування батареєю.Це робить їх ще дорожчими, ніж вони є.

● Існує невелика ймовірність того, що літій-іонна батарея вийде з ладу, вона спалахне.

Встановлення стандартів на основі інновацій

Через складність механізму безпеки літій-іонної батареї, особливо через вплив на безпеку після повторного використання батарей, процес розуміння безпеки літій-іонної батареї та встановлення її стандартів має бути поступовим і поступовим.Слід також розглянути розвиток і застосування методів зовнішнього контролю.Су запропонував це як налаштування Літій-іонний акумулятор Стандарти безпеки є високотехнічною роботою, як спеціалісти зі встановлення стандартів з органів стандартизації акумуляторів, так і технічні спеціалісти з промисловості акумуляторів, користувачів та електронних відділів керування повинні брати участь у процесі, включаючи роботи з експериментальної перевірки.

Старший інженер з Китайського інституту стандартизації електроніки, пан Сунь Чуанхао, сказав, що літій-іонні батареї в даний час можна розділити на типи енергії та типи потужності.Оскільки ці два продукти мають відмінності в матеріалах і конструктивних структурах, їхні методи тестування та вимоги відрізняються, навіть за однакових умов безпеки.Так звані портативні батареї належать до енергетичного типу, включаючи літій-іонні батареї, які використовуються в мобільних телефонах, ноутбуках, цифрових камерах і відеокамерах, тоді як батареї типу power призначені для електроінструментів, електричних велосипедів і електромобілів.

За даними дослідницької організації BloombergNEF, середня ціна літій-іонної батареї (включно з елементом і блоком) впала на 85% з 2010 по 2018 рік, досягнувши в середньому 176 доларів США/кВт-год.BloombergNEF також прогнозує, що ціни впадуть до 94 доларів США/кВт-год до 2024 року та 62 доларів США/кВт-год до 2030 року.

Ця спадна крива витрат має важливі наслідки для будь-якої компанії, яка використовує батареї у своїх послугах, або для тих, хто має потребу зберігати енергію (наприклад, виробники електроенергії).На сьогоднішній день більшість продажів літій-іонних акумуляторів припадає на сектор споживчої електроніки, але майбутні продажі все більше будуть зумовлені електромобілями.

Більшість автомобілів на дорогах сьогодні все ще використовують свинцево-кислотну батарею та двигун внутрішнього згоряння.Але продажі електромобілів, які працюють від літій-іонних акумуляторів, за останні п’ять років зросли більш ніж у десять разів.Крім того, все більше і більше країн встановлюють майбутню заборону на автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння, сподіваючись, що електромобілі згодом домінуватимуть в особистому транспорті.

Це, звичайно, означає набагато більший майбутній попит на акумулятори.Настільки, що виробник електромобілів Tesla у партнерстві з Panasonic інвестує мільярди доларів у будівництво нових заводів з виробництва літій-іонних акумуляторів.Незважаючи на це, американські виробники літій-іонних акумуляторів відстають у частці ринку.

Пов’язаний з цим ринок літій-іонних акумуляторів розвивається у важких галузях промисловості, таких як автонавантажувачі, підмітально-очисні машини, наземні засоби підтримки в аеропортах і транспортні засоби з автоматичним керуванням (AGV).Ці ніші історично обслуговувалися свинцево-кислотними акумуляторами та двигунами внутрішнього згоряння, але економіка швидко змінилася на користь літій-іонних акумуляторів.

Китай на водійському сидінні

Згідно з аналізом BloombergNEF, на початку 2019 року глобальні виробничі потужності літієвих елементів становили 316 гігават-годин (ГВт-год).У Китаї зосереджено 73% цієї потужності, за нею йдуть США, які на другому місці з 12% світової потужності.

Прогнозується, що глобальна потужність значно зросте до 2025 року, коли BloombergNEF прогнозує 1211 ГВт-год глобальної потужності.Прогнозується, що потужність у США зростатиме, але повільніше, ніж глобальна потужність.Таким чином, прогнозується, що частка США у світовому виробництві літієвих елементів скоротиться.

Tesla намагається вирішити цю проблему шляхом будівництва власних заводів з виробництва акумуляторів, але для компаній, які постачають широкий асортимент цих типів батарей, таких як каліфорнійська OneCharge, пошук місцевих постачальників виявився складним завданням.Нещодавно я спілкувався з генеральним директором OneCharge Алексом Писарєвим, який розповів про труднощі, з якими зіткнулася його компанія:

«Американські виробники були б раді використовувати літій-іонні елементи американського виробництва, — сказав мені Писарєв, — але сьогодні це нереально.Тому ми повинні продовжувати імпортувати їх із Китаю».

Китай йде тим же шляхом, що й раніше з сонячними панелями.Хоча сонячні елементи були винайдені американським інженером Расселом Олом, сьогодні Китай домінує на світовому ринку сонячних панелей.Зараз Китай зосереджений на контролі світового виробництва літій-іонних батарей.

Чи краще мати найдешевші екологічні технології, навіть якщо це означає передачу виробництва іншим країнам?Низькі ціни на сонячні панелі сприяли стрімкому зростанню нових сонячних фотоелектричних панелей, що, у свою чергу, сприяло створенню багатьох робочих місць у США.Але основна маса цих панелей виготовляється в Китаї.Адміністрація Трампа намагалася вирішити цю проблему, встановивши мита на імпортовані сонячні панелі, але ці мита зустріли рішучу опозицію більшості представників сонячної промисловості США.

Головною перевагою Китаю є дешева робоча сила, яка дозволила йому домінувати в багатьох галузях промисловості.Але Китай також має більше запасів літію та набагато більше виробництва літію, ніж США. У 2018 році виробництво літію в Китаї становило 8000 метричних тонн, це третє місце серед усіх країн і майже в десять разів перевищує виробництво літію в США.Китайські запаси літію в 2018 році становили один мільйон метричних тонн, що майже в 30 разів перевищує рівень США.

Шлях вперед

Тенденції свідчать про те, що літій-іонні батареї все більше витіснятимуть свинцево-кислотні батареї в секторах транспорту та важкого обладнання.Це надзвичайно важлива подія у світі, який бореться з рекордними викидами вуглекислого газу.

Але з такою перевагою як у витратах виробництва, так і в доступності сировини, чи можуть США конкурувати з Китаєм на світовому ринку?Якщо ні, оскільки зростаюча кількість літій-іонних акумуляторів досягає кінця терміну служби, чи можуть США розвинути конкурентний ринок переробленого літію?

Це важливі питання, які необхідно вирішити.

Незрозуміло, як Китай справлятиметься з такими проблемами, але, враховуючи його невпинну гонитву за літієм і стратегічне значення, яке він надає цьому металу, рішення, без сумніву, будуть знайдені.У багатьох відношеннях прийняття Китаєм екологічного транспорту є хорошою річчю, оскільки це розширює інтерес до сектора та спонукає країни-конкуренти намагатися наздогнати з точки зору їхньої частки постачання літію та ринку акумуляторних батарей.Небезпека полягає в тому, що вони продовжують відставати, залишаючи Китаю монополію на те, що незабаром може стати основним транспортним сектором.

Слідкуйте за мною Twitter або LinkedIn .Перевірте мій веб-сайт або деякі з моїх інших робіт тут.