Tại sao Trung Quốc có thể thống trị sản xuất pin lithium-ion

Lithium-ion có phải là loại pin lý tưởng?

Trong nhiều năm, niken-cadmium là loại pin thích hợp duy nhất cho các thiết bị di động từ truyền thông không dây đến điện toán di động. Niken-kim loại-hydrua và lithium-ion xuất hiện Vào đầu những năm 1990, đấu tranh trực tiếp để giành được sự chấp nhận của khách hàng. Ngày nay, lithium-ion là loại pin hóa học phát triển nhanh nhất và hứa hẹn nhất.

Thế giới đang ngày càng được điện khí hóa. Không chỉ các nước đang phát triển đang tăng cường cung cấp điện cho người dân mà quá trình điện khí hóa cơ sở hạ tầng giao thông hiện tại cũng đang diễn ra với tốc độ nhanh chóng. Đến năm 2040, dự kiến ​​hơn một nửa số ô tô trên đường sẽ chạy bằng điện.

Sơ lược về lịch sử của pin

Pin đã là một phần trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta trong một thời gian dài. Pin thực sự đầu tiên trên thế giới được phát minh vào năm 1800 bởi nhà vật lý người Ý Alessandro Volta. Phát minh này đại diện cho một bước đột phá đáng chú ý, nhưng kể từ thời điểm đó chỉ có một số cải tiến đáng kể.

Đầu tiên là ắc quy axit chì, được phát minh vào năm 1859. Đây là loại ắc quy sạc đầu tiên và vẫn là loại ắc quy được sử dụng phổ biến nhất để khởi động động cơ đốt trong ngày nay.

Đã có một số thiết kế pin cải tiến trong hai thế kỷ qua, nhưng phải đến năm 1980, một thiết bị thay đổi cuộc chơi thực sự mới được phát minh. Đó là lúc những đột phá ở Đại học Oxford và Đại học Stanford dẫn đến sự phát triển của pin lithium-ion. Sony thương mại hóa pin lithium-ion đầu tiên vào năm 1991.

Liti có gì đặc biệt?

Lithium là một kim loại đặc biệt về nhiều mặt. Nó nhẹ và mềm - mềm đến mức có thể cắt bằng dao làm bếp và mật độ thấp đến mức nổi trên mặt nước. Nó cũng rắn ở nhiều nhiệt độ khác nhau, với một trong những điểm nóng chảy thấp nhất trong tất cả các kim loại và điểm sôi cao.

Giống như kim loại kiềm đồng loại của nó là natri, lithium phản ứng với nước ở dạng sặc sỡ. Sự kết hợp giữa Li và H2O tạo thành lithium hydroxit và hydro, thường bùng cháy màu đỏ.

Có nhiều khía cạnh để Pin lithium-ion an toàn trong suốt quá trình thiết kế, bao gồm cấu trúc pin an toàn, nguyên liệu thô an toàn, chức năng bảo vệ và chứng nhận an toàn. Khi được China Electronics News phỏng vấn, ông Su Jinran, phó kỹ sư trưởng, nói rằng an toàn sản phẩm bắt đầu từ thiết kế sản phẩm, do đó việc lựa chọn vật liệu điện cực, chất phân tách và chất điện phân phù hợp là ưu tiên hàng đầu để thiết kế pin an toàn. Đối với vật liệu cực dương của pin, vật liệu ternary, lithium mangan và lithium sắt photphat, được sử dụng rộng rãi trong thiết kế pin và mang lại hiệu suất thỏa đáng, an toàn hơn so với lithium cobaltate và niken lithium truyền thống.

Pin lithium-ion rất phổ biến vì chúng có một số lợi thế quan trọng so với các công nghệ cạnh tranh:

● Nhìn chung, chúng nhẹ hơn nhiều so với các loại pin sạc khác có cùng kích thước. Các điện cực của pin lithium-ion được làm từ lithium và carbon nhẹ. Lithium cũng là một nguyên tố có tính phản ứng cao, nghĩa là rất nhiều năng lượng có thể được lưu trữ trong các liên kết nguyên tử của nó. Điều này dẫn đến mật độ năng lượng rất cao cho pin lithium-ion. Đây là một cách để có được một góc nhìn về mật độ năng lượng. Một pin lithium-ion thông thường có thể lưu trữ 150 watt điện trong 1 kg pin. Một bộ pin NiMH (niken-kim loại hydrua) có thể lưu trữ khoảng 100 watt-giờ mỗi kg, mặc dù thông thường hơn là 60 đến 70 watt-giờ. Pin axit chì chỉ có thể lưu trữ 25 watt-giờ mỗi kg. Sử dụng công nghệ axit chì, phải mất 6 kg để lưu trữ cùng một lượng năng lượng mà pin lithium-ion 1 kg có thể xử lý. Đó là một sự khác biệt rất lớn [nguồn: Mọi thứ2.com ].

● Họ giữ trách nhiệm của mình. Một bộ pin lithium-ion chỉ mất khoảng 5% điện tích mỗi tháng, so với mức mất 20% mỗi tháng của pin NiMH.

● Chúng không có hiệu ứng bộ nhớ, có nghĩa là bạn không cần phải xả hết pin trước khi sạc lại như với một số hóa chất pin khác.

● Pin lithium-ion có thể xử lý hàng trăm chu kỳ sạc/xả.

● Điều đó không có nghĩa là pin lithium-ion hoàn hảo. Họ cũng có một vài nhược điểm:

● Chúng bắt đầu phân hủy ngay khi rời khỏi nhà máy. Chúng sẽ chỉ tồn tại được hai hoặc ba năm kể từ ngày sản xuất cho dù bạn có sử dụng chúng hay không.

● Chúng cực kỳ nhạy cảm với nhiệt độ cao. Nhiệt độ khiến bộ pin lithium-ion xuống cấp nhanh hơn nhiều so với bình thường.

● Nếu bạn xả hết pin lithium-ion, pin sẽ bị hỏng.

● Bộ pin lithium-ion phải có máy tính tích hợp để quản lý pin. Điều này làm cho chúng thậm chí còn đắt hơn hiện tại.

● Có một khả năng nhỏ là nếu bộ pin lithium-ion bị hỏng, nó sẽ bốc cháy.

Thiết lập tiêu chuẩn dựa trên sự đổi mới

Do sự phức tạp trong cơ chế an toàn của pin Lithium-ion, đặc biệt là ảnh hưởng đến sự an toàn sau khi tái sử dụng pin, nên quá trình tìm hiểu về độ an toàn của pin Lithium-ion và thiết lập các tiêu chuẩn của nó phải diễn ra từ từ và tiến bộ. Và việc phát triển, ứng dụng các kỹ thuật kiểm soát bên ngoài cũng cần được quan tâm. Su gợi ý rằng khi thiết lập Pin lithium-ion Tiêu chuẩn an toàn là một công việc mang tính kỹ thuật cao, cả chuyên gia thiết lập tiêu chuẩn từ cơ quan tiêu chuẩn hóa pin và chuyên gia kỹ thuật từ ngành công nghiệp pin, người dùng và khu vực điều khiển điện tử đều nên tham gia vào quá trình này, bao gồm cả công việc xác minh thử nghiệm.

Kỹ sư cao cấp của Viện Tiêu chuẩn Điện tử Trung Quốc, ông Sun Chuanhao, cho biết pin Lithium-ion hiện có thể được chia thành loại năng lượng và loại năng lượng. Vì hai sản phẩm này có sự khác biệt về vật liệu và cấu trúc thiết kế nên phương pháp thử nghiệm và yêu cầu của chúng không giống nhau, ngay cả trong cùng điều kiện an toàn. Cái gọi là pin di động thuộc loại năng lượng, bao gồm pin Lithium-ion được sử dụng trong điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số và máy quay video, trong khi pin loại năng lượng dành cho dụng cụ điện, xe đạp điện và xe điện.

Theo tổ chức nghiên cứu BloombergNEF, giá gói pin lithium-ion trung bình tính theo khối lượng (bao gồm tế bào và gói) đã giảm 85% từ năm 2010-18, đạt mức trung bình 176 USD/kWh. BloombergNEF dự đoán thêm rằng giá sẽ giảm xuống còn 94 USD/kWh vào năm 2024 và 62 USD/kWh vào năm 2030.

Đường cong chi phí giảm dần này có ý nghĩa quan trọng đối với bất kỳ công ty nào sử dụng pin trong dịch vụ của mình hoặc đối với những công ty có nhu cầu lưu trữ năng lượng (ví dụ: nhà sản xuất điện). Cho đến nay, hầu hết doanh số bán pin lithium-ion đều thuộc lĩnh vực điện tử tiêu dùng, nhưng doanh số bán hàng trong tương lai sẽ ngày càng được thúc đẩy bởi ô tô điện.

Hầu hết ô tô trên đường ngày nay vẫn sử dụng ắc quy axit chì và động cơ đốt trong. Nhưng doanh số bán xe điện – chạy bằng pin lithium-ion – đã tăng hơn 10 lần trong 5 năm qua. Hơn nữa, ngày càng có nhiều quốc gia đặt ra các lệnh cấm trong tương lai đối với ô tô chạy bằng động cơ đốt trong, với kỳ vọng rằng xe điện cuối cùng sẽ thống trị phương tiện giao thông cá nhân.

Tất nhiên, điều này có nghĩa là nhu cầu về pin trong tương lai sẽ lớn hơn nhiều. Đến mức hãng sản xuất xe điện Tesla, hợp tác với Panasonic, đang đầu tư hàng tỷ USD để xây dựng các nhà máy sản xuất pin lithium-ion mới. Tuy nhiên, các nhà sản xuất pin lithium-ion của Mỹ đang tụt lại phía sau về thị phần.

Thị trường tăng trưởng liên quan cho pin lithium-ion là trong các ứng dụng công nghiệp nặng như xe nâng, máy quét và máy chà sàn, ứng dụng hỗ trợ mặt đất tại sân bay và phương tiện dẫn đường tự động (AGV). Những ứng dụng thích hợp này trước đây được phục vụ bởi pin axit chì và động cơ đốt trong, nhưng nền kinh tế đã nhanh chóng thay đổi theo hướng có lợi cho pin lithium-ion.

Trung Quốc ngồi ở ghế lái

Theo phân tích của BloombergNEF, vào đầu năm 2019, công suất sản xuất pin lithium toàn cầu là 316 gigawatt giờ (GWh). Trung Quốc là nơi chiếm 73% công suất này, tiếp theo là Mỹ, kém xa ở vị trí thứ hai với 12% công suất toàn cầu.

Công suất toàn cầu được dự đoán sẽ tăng mạnh vào năm 2025 khi BloombergNEF dự báo công suất toàn cầu là 1.211 GWh. Công suất ở Mỹ dự kiến ​​sẽ tăng nhưng chậm hơn so với công suất toàn cầu. Do đó, thị phần sản xuất pin lithium toàn cầu của Mỹ dự kiến ​​sẽ giảm.

Tesla đang cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách xây dựng các nhà máy sản xuất pin của riêng mình, nhưng đối với các công ty cung cấp nhiều loại pin này, chẳng hạn như OneCharge có trụ sở tại California, việc tìm kiếm các nhà cung cấp địa phương quả thực là một thách thức. Gần đây tôi đã nói chuyện với Giám đốc điều hành OneCharge Alex Pisarev, người đã nêu bật những thách thức mà công ty của ông phải đối mặt:

Pisarev nói với tôi: “Các nhà sản xuất Mỹ sẽ rất vui khi sử dụng pin lithium-ion do Mỹ sản xuất, nhưng điều này ngày nay không thực tế. Vì vậy chúng tôi phải tiếp tục nhập khẩu chúng từ Trung Quốc.”

Trung Quốc đang đi theo con đường tương tự như trước đây với các tấm pin mặt trời. Trong khi pin mặt trời được phát minh bởi kỹ sư người Mỹ Russell Ohl thì ngày nay Trung Quốc thống trị thị trường pin mặt trời toàn cầu. Hiện Trung Quốc đang tập trung vào việc kiểm soát việc sản xuất pin lithium-ion trên thế giới.

Có nên sử dụng công nghệ xanh rẻ nhất có thể hay không, ngay cả khi điều đó có nghĩa là phải giao sản xuất cho các nước khác? Giá tấm pin mặt trời thấp đã giúp thúc đẩy sự bùng nổ tăng trưởng của các tấm pin mặt trời mới, và điều đó đã hỗ trợ nhiều việc làm ở Mỹ. Nhưng phần lớn những tấm nền đó được sản xuất tại Trung Quốc. Chính quyền Trump đã cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách áp thuế đối với các tấm pin mặt trời nhập khẩu, nhưng những mức thuế này đã bị hầu hết ngành công nghiệp năng lượng mặt trời của Hoa Kỳ phản đối kịch liệt.

Trung Quốc có lợi thế lớn về lao động giá rẻ, điều này cho phép nước này thống trị nhiều ngành sản xuất. Nhưng Trung Quốc cũng có trữ lượng lithium nhiều hơn và sản lượng lithium lớn hơn nhiều so với Mỹ. Năm 2018, sản lượng lithium của Trung Quốc là 8.000 tấn, đứng thứ ba trong số tất cả các quốc gia và gần gấp 10 lần sản lượng lithium của Mỹ. Dự trữ lithium của Trung Quốc năm 2018 là một triệu tấn, gấp gần 30 lần so với mức của Mỹ.

Con đường phía trước

Xu hướng này báo hiệu rằng pin lithium-ion sẽ ngày càng thay thế pin axit chì trong lĩnh vực vận tải và thiết bị nặng. Đây là một bước phát triển quan trọng trong một thế giới đang vật lộn với lượng khí thải carbon dioxide kỷ lục.

Nhưng với lợi thế như vậy về cả chi phí sản xuất lẫn nguồn nguyên liệu sẵn có, liệu Mỹ có thể cạnh tranh được với Trung Quốc trên thị trường thế giới? Nếu không, khi số lượng pin lithium-ion ngày càng cạn kiệt, liệu Mỹ có thể phát triển một thị trường cạnh tranh cho lithium tái chế không?

Đây là những câu hỏi quan trọng cần được giải quyết.

Không rõ Trung Quốc sẽ giải quyết những thách thức như thế nào, nhưng với việc không ngừng theo đuổi lithium và tầm quan trọng chiến lược mà nước này gắn với kim loại này, chắc chắn các giải pháp sẽ được tìm ra. Theo nhiều cách, việc Trung Quốc ủng hộ giao thông xanh là một điều tốt, vì nó mở rộng sự quan tâm đến lĩnh vực này và thúc đẩy các quốc gia cạnh tranh cố gắng bắt kịp thị phần cung cấp lithium và pin sạc của họ. Điều nguy hiểm là họ tiếp tục tụt lại phía sau, khiến Trung Quốc độc quyền về lĩnh vực có thể sớm trở thành ngành vận tải chủ đạo.

Theo dõi tôi trên Twitter hoặc LinkedIn . Kiểm tra của tôi trang web hoặc một số công việc khác của tôi ở đây.