چرا چین می تواند بر تولید باتری لیتیوم یون تسلط داشته باشد؟

آیا لیتیوم یون باتری ایده آل است؟

برای سال‌ها، نیکل-کادمیم تنها باتری مناسب برای تجهیزات قابل حمل از ارتباطات بی‌سیم گرفته تا محاسبات سیار بود.نیکل-فلز-هیدرید و لیتیوم-یون در اوایل دهه 1990 پدیدار شدند و برای جلب پذیرش مشتری، با یکدیگر مبارزه کردند.امروزه، لیتیوم یون سریعترین و امیدوارکننده ترین شیمی باتری است.

جهان به طور فزاینده ای در حال برق گرفتن است.نه تنها کشورهای در حال توسعه دسترسی به برق را برای جمعیت خود افزایش می دهند، بلکه برقی سازی زیرساخت های حمل و نقل موجود با سرعت زیادی در حال انجام است.پیش بینی می شود تا سال 2040 بیش از نیمی از خودروهای موجود در جاده ها از برق استفاده کنند.

تاریخچه مختصری از باتری ها

باتری ها برای مدت طولانی بخشی از زندگی روزمره ما بوده اند.اولین باتری واقعی جهان در سال 1800 توسط فیزیکدان ایتالیایی الساندرو ولتا اختراع شد.این اختراع نشان دهنده یک پیشرفت قابل توجه بود، اما از آن زمان تنها تعداد انگشت شماری از نوآوری های مهم وجود داشته است.

اولین باتری سرب اسیدی بود که در سال 1859 اختراع شد. این اولین باتری قابل شارژ بود و هنوز هم رایج ترین باتری مورد استفاده برای راه اندازی موتورهای احتراق داخلی است.

در دو قرن گذشته چندین طرح باتری نوآورانه وجود داشته است، اما تا سال 1980 بود که یک تغییر دهنده واقعی بازی اختراع شد.در آن زمان بود که پیشرفت‌ها در دانشگاه آکسفورد و دانشگاه استنفورد منجر به توسعه باتری لیتیوم یون شد.سونی اولین باتری لیتیوم یونی را در سال 1991 تجاری کرد.

لیتیوم چه ویژگی خاصی دارد؟

لیتیوم از بسیاری جهات یک فلز خاص است.سبک و نرم است - آنقدر نرم که می توان آن را با چاقوی آشپزخانه برش داد و چگالی آن بسیار کم است که روی آب شناور می شود.همچنین در طیف وسیعی از دماها جامد است، با یکی از پایین‌ترین نقاط ذوب تمام فلزات و نقطه جوش بالا.

لیتیوم مانند فلز قلیایی دیگر خود، سدیم، با آب به شکل چشمگیر واکنش می دهد.ترکیب لیتیوم و H2O هیدروکسید لیتیوم و هیدروژن را تشکیل می دهد که معمولاً به شعله قرمز تبدیل می شود.

جنبه های زیادی وجود دارد باتری لیتیوم یون ایمنی در سراسر فرآیندهای طراحی آن، از جمله ساختار باتری ایمن، مواد اولیه ایمن، عملکردهای حفاظتی و گواهینامه های ایمنی.هنگام مصاحبه با China Electronics News، آقای Su Jinran، معاون مهندس ارشد، گفت که ایمنی محصول در طراحی محصول آغاز شد، بنابراین انتخاب مواد الکترود مناسب، جداکننده‌ها و الکترولیت‌ها اولین اولویت برای طراحی ایمن باتری است.برای مواد آند باتری، مواد سه تایی، لیتیوم منگنز و فسفات آهن لیتیوم، که به طور گسترده در طراحی باتری استفاده شده اند و عملکرد رضایت بخشی دارند، از لیتیوم کبالتات سنتی و لیتیوم نیکل ایمن تر هستند.

باتری‌های لیتیوم یونی محبوب هستند زیرا دارای چندین مزیت مهم نسبت به فناوری‌های رقیب هستند:

● آنها به طور کلی بسیار سبک تر از انواع دیگر باتری های قابل شارژ با همان اندازه هستند.الکترودهای یک باتری لیتیوم یونی از لیتیوم و کربن سبک وزن ساخته شده اند.لیتیوم همچنین یک عنصر بسیار واکنش پذیر است، به این معنی که انرژی زیادی می تواند در پیوندهای اتمی آن ذخیره شود.این به چگالی انرژی بسیار بالا برای باتری های لیتیوم یون تبدیل می شود.در اینجا راهی برای دریافت دیدگاهی در مورد چگالی انرژی وجود دارد.یک باتری لیتیوم یون معمولی می تواند 150 وات ساعت برق را در 1 کیلوگرم باتری ذخیره کند.یک بسته باتری NiMH (هیدرید نیکل فلز) می تواند 100 وات ساعت در هر کیلوگرم را ذخیره کند، اگرچه 60 تا 70 وات ساعت ممکن است معمولی تر باشد.یک باتری سرب اسیدی می تواند تنها 25 وات ساعت در هر کیلوگرم را ذخیره کند.با استفاده از فناوری سرب-اسید، برای ذخیره همان مقدار انرژی که یک باتری لیتیوم یونی 1 کیلوگرمی می تواند تحمل کند، 6 کیلوگرم نیاز است.این یک تفاوت بزرگ است [منبع: Everything2.com ].

● مسئولیت خود را حفظ می کنند.یک بسته باتری لیتیوم یونی تنها حدود 5 درصد از شارژ خود را در ماه از دست می دهد، در حالی که این میزان برای باتری های NiMH 20 درصد است.

● هیچ اثر حافظه ای ندارند، به این معنی که لازم نیست مانند برخی دیگر از موارد شیمیایی باتری، آنها را قبل از شارژ مجدد به طور کامل تخلیه کنید.

● باتری های لیتیوم یونی می توانند صدها چرخه شارژ/دشارژ را تحمل کنند.

● این بدان معنا نیست که باتری های لیتیوم یونی بی عیب و نقص هستند.آنها چند معایب نیز دارند:

● به محض خروج از کارخانه شروع به تنزل می کنند.آنها فقط دو یا سه سال از تاریخ تولید دوام خواهند داشت، چه از آنها استفاده کنید یا نه.

● به دمای بالا بسیار حساس هستند.گرما باعث می شود بسته های باتری لیتیوم یونی خیلی سریعتر از حالت عادی تخریب شوند.

● اگر باتری لیتیوم یونی را به طور کامل تخلیه کنید، خراب شده است.

● یک بسته باتری لیتیوم یونی باید یک رایانه داخلی برای مدیریت باتری داشته باشد.این باعث می شود که آنها حتی گران تر از آنچه که قبلا هستند.

● احتمال کمی وجود دارد که اگر بسته باتری لیتیوم یونی خراب شود، شعله ور شود.

تنظیم استاندارد مبتنی بر نوآوری

با توجه به پیچیدگی مکانیزم ایمنی باتری‌های لیتیوم یونی، به ویژه تأثیر بر ایمنی پس از استفاده مجدد از باتری‌ها، فرآیند درک ایمنی باتری‌های لیتیوم یونی و تنظیم استانداردهای آن باید تدریجی و پیشرونده باشد.و توسعه و کاربرد تکنیک های کنترل خارجی نیز باید مورد توجه قرار گیرد.سو این را به عنوان تنظیم پیشنهاد کرد باتری لیتیوم یون استانداردهای ایمنی یک کار بسیار فنی است، هم متخصصان تنظیم استاندارد از نهادهای استاندارد باتری و هم متخصصان فنی صنعت باتری، کاربران و مناطق کنترل الکترونیکی باید در این فرآیند شرکت کنند، از جمله کارهای تأیید آزمایشی.

مهندس ارشد موسسه استانداردسازی الکترونیک چین، آقای سان چوانهائو، گفت که باتری های لیتیوم یونی در حال حاضر می توانند به انواع انرژی و انواع توان تقسیم شوند.از آنجایی که این دو محصول در مواد و ساختار طراحی متفاوت هستند، روش‌ها و الزامات آزمایش آنها حتی در شرایط ایمنی یکسان متفاوت است.باتری‌های به اصطلاح قابل حمل متعلق به نوع انرژی هستند، از جمله باتری‌های لیتیوم یونی که در تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ، دوربین‌های دیجیتال و دوربین‌های ویدئویی استفاده می‌شوند، در حالی که باتری‌های نوع برقی برای ابزارهای برقی، دوچرخه‌های برقی و وسایل نقلیه برقی هستند.

بر اساس گزارش سازمان تحقیقاتی BloombergNEF، میانگین وزنی وزن بسته باتری لیتیوم یونی (که شامل سلول و بسته می شود) از سال 2010 تا 2018، 85 درصد کاهش یافت و به میانگین 176 دلار در کیلووات ساعت رسید.BloombergNEF همچنین پیش بینی می کند که قیمت ها تا سال 2024 به 94 دلار در هر کیلووات ساعت و تا سال 2030 به 62 دلار در هر کیلووات ساعت کاهش می یابد.

این منحنی کاهش هزینه پیامدهای مهمی برای هر شرکتی دارد که از باتری در خدمات خود استفاده می کند، یا برای شرکت هایی که نیاز به ذخیره انرژی دارند (مثلاً تولیدکنندگان برق).تا به امروز، بیشتر فروش باتری های لیتیوم یونی در بخش لوازم الکترونیکی مصرفی بوده است، اما فروش آینده به طور فزاینده ای توسط خودروهای برقی هدایت خواهد شد.

اکثر خودروهای امروزی در جاده ها هنوز از باتری سرب اسید و موتور احتراق داخلی استفاده می کنند.اما فروش خودروهای الکتریکی – با باتری های لیتیوم یونی – در پنج سال گذشته بیش از ده برابر شده است.علاوه بر این، کشورهای بیشتر و بیشتری در آینده برای خودروهای مبتنی بر احتراق داخلی ممنوعیت هایی وضع می کنند، با این انتظار که خودروهای الکتریکی در نهایت بر حمل و نقل شخصی تسلط پیدا کنند.

البته این به معنای تقاضای بسیار بیشتر در آینده برای باتری است.تا آنجا که سازنده خودروهای الکتریکی تسلا با مشارکت پاناسونیک میلیاردها دلار برای ساخت کارخانه های باتری لیتیوم یونی جدید سرمایه گذاری می کند.با این وجود، تولیدکنندگان باتری لیتیوم یونی ایالات متحده از سهم بازار عقب تر هستند.

یک بازار رشد مرتبط برای باتری‌های لیتیوم یون در کاربردهای صنعتی سنگین مانند کامیون‌های بالابر، جاروها و اسکرابرها، کاربردهای پشتیبانی زمینی فرودگاه و وسایل نقلیه هدایت‌شونده خودکار (AGV) است.این برنامه‌های کاربردی در طول تاریخ توسط باتری‌های اسید سرب و موتورهای احتراق داخلی ارائه شده‌اند، اما اقتصاد به سرعت به نفع باتری‌های لیتیوم یونی تغییر کرده است.

چین در صندلی راننده

بر اساس تجزیه و تحلیل BloombergNEF، در اوایل سال 2019، 316 گیگاوات ساعت (گیگاوات ساعت) ظرفیت جهانی تولید سلول لیتیومی وجود داشت.چین 73 درصد از این ظرفیت را در اختیار دارد و پس از آن آمریکا با 12 درصد ظرفیت جهانی در جایگاه دوم قرار دارد.

پیش بینی می شود که ظرفیت جهانی تا سال 2025 به شدت رشد کند، زمانی که BloombergNEF 1211 گیگاوات ساعت ظرفیت جهانی را پیش بینی کرد.پیش بینی می شود ظرفیت در ایالات متحده رشد کند، اما کندتر از ظرفیت جهانی.بنابراین، پیش‌بینی می‌شود که سهم ایالات متحده از تولید سلول‌های لیتیومی در جهان کاهش یابد.

تسلا در تلاش است تا با ساخت کارخانه‌های باتری‌سازی خود، این مشکل را برطرف کند، اما برای شرکت‌هایی که طیف گسترده‌ای از این نوع باتری‌ها را عرضه می‌کنند، مانند OneCharge مستقر در کالیفرنیا، یافتن تامین‌کنندگان محلی چالش‌برانگیز است.من اخیراً با الکس پیسارف، مدیرعامل OneCharge صحبت کردم، که چالش‌هایی را که شرکتش با آن روبرو شده است را برجسته کرد:

پیساروف به من گفت: «سازندگان آمریکایی از استفاده از سلول‌های لیتیوم یونی ساخت ایالات متحده خوشحال می‌شوند، اما این امروز واقع بینانه نیست.بنابراین باید به واردات آنها از چین ادامه دهیم.»

چین همان مسیری را طی می کند که قبلاً با پنل های خورشیدی انجام می داد.در حالی که سلول های خورشیدی توسط مهندس آمریکایی راسل اوهل اختراع شد، امروزه چین بر بازار جهانی پنل های خورشیدی تسلط دارد.اکنون چین بر روی کنترل تولید باتری های لیتیوم یونی در جهان متمرکز شده است.

آیا داشتن ارزان‌ترین فناوری‌های سبز ممکن ترجیح داده می‌شود، حتی اگر این به معنای واگذاری تولید به کشورهای دیگر باشد؟قیمت‌های پایین پنل‌های خورشیدی به افزایش رشد فتوولتائیک جدید خورشیدی کمک کرده است و این به نوبه خود از بسیاری از مشاغل ایالات متحده پشتیبانی کرده است.اما بخش عمده ای از این پانل ها در چین ساخته می شوند.دولت ترامپ تلاش کرده است تا با اعمال تعرفه بر پنل های خورشیدی وارداتی به این موضوع رسیدگی کند، اما این تعرفه ها با مخالفت شدید اکثر صنایع خورشیدی ایالات متحده مواجه شده است.

چین مزیت عمده نیروی کار ارزان را دارد که به آن امکان تسلط بر بسیاری از صنایع تولیدی را داده است.اما چین همچنین دارای ذخایر لیتیوم بیشتر و تولید لیتیوم بسیار بیشتری نسبت به ایالات متحده است در سال 2018، تولید لیتیوم چین 8000 تن متریک، سومین در بین همه کشورها و تقریباً ده برابر تولید لیتیوم ایالات متحده بود.ذخایر لیتیوم چین در سال 2018 یک میلیون تن متریک بود که تقریباً 30 برابر سطح ایالات متحده بود.

مسیر رو به جلو

روندها نشان می دهد که باتری های لیتیوم یونی به طور فزاینده ای جایگزین باتری های سرب اسیدی در بخش های حمل و نقل و تجهیزات سنگین خواهند شد.این یک پیشرفت حیاتی در جهانی است که با انتشار رکورد دی اکسید کربن دست و پنجه نرم می کند.

اما با چنین مزیتی هم در هزینه های ساخت و هم در دسترس بودن مواد خام، آیا ایالات متحده می تواند با چین در بازار جهانی رقابت کند؟اگر نه، با رسیدن تعداد فزاینده باتری های لیتیوم یونی به پایان عمر قابل استفاده خود، آیا ایالات متحده می تواند بازار رقابتی برای لیتیوم بازیافتی ایجاد کند؟

اینها سوالات مهمی هستند که باید به آنها پرداخته شود.

مشخص نیست که چین چگونه با چنین چالش هایی مقابله خواهد کرد، اما با توجه به پیگیری بی وقفه لیتیوم و اهمیت استراتژیک این فلز برای این فلز، بدون شک راه حل هایی پیدا خواهد شد.از بسیاری جهات، استقبال چین از حمل و نقل سبز چیز خوبی است، زیرا علاقه به این بخش را افزایش می دهد و کشورهای رقیب را تشویق می کند تا از نظر سهم عرضه لیتیوم و بازار باتری های قابل شارژ به عقب برسند.خطر این است که آنها به عقب ماندگی خود ادامه دهند و چین را در انحصار آنچه که می تواند به زودی به یک بخش اصلی حمل و نقل تبدیل شود، رها می کند.

من را دنبال کنید توییتر یا لینکدین .من را بررسی کنید سایت اینترنتی یا برخی از کارهای دیگر من در اینجا.