Η επανάσταση των μπαταριών: Οι αντίπαλοι αγωνίζονται για την υπεροχή στην αγορά αυτοκινήτων

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν ήδη αλλάξει τον κόσμο, θέτοντας smartphone, φορητούς υπολογιστές και ασύρματα ακουστικά στα χέρια δισεκατομμυρίων ανθρώπων. Τώρα πυροδοτούν μια άλλη επανάσταση.

Η τεχνολογία επιλογής τόσο στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα όσο και στην εκκολαπτόμενη βιομηχανία αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, οι μπαταρίες, θα αποτελέσουν ζωτικό πυλώνα στην παγκόσμια μετάβαση σε μια οικονομία χωρίς άνθρακα.

Καθώς η ζήτηση αυξάνεται, η διάθεση υπόσχεται τεράστια κέρδη. Τα παγκόσμια έσοδα από μπαταρίες ιόντων λιθίου θα αυξηθούν στα 700 δισεκατομμύρια δολάρια ετησίως έως το 2035, σύμφωνα με την συμβουλευτική εταιρεία Benchmark Mineral Intelligence, οπότε και θα πρέπει να διατεθούν 730 δισεκατομμύρια δολάρια σε εργοστάσια, ορυχεία και εγκαταστάσεις μπαταριών για να καλυφθεί η ανάγκη όχι μόνο για λίθιο αλλά και για άλλα συστατικά συμπεριλαμβανομένου του νικελίου και του κοβαλτίου.

“Αυτός θα είναι αγώνας για να δούμε ποιος μπορεί να αναπτύξει τις πιο προηγμένες τεχνολογίες στον κόσμο”, δήλωσε ο Γκλεν Μέρφιλντ, επικεφαλής τεχνολογίας της Albemarle, της μεγαλύτερης εταιρείας λιθίου στον κόσμο.

Με δύο βασικούς κλάδους της τεχνολογίας ιόντων λιθίου να ανταγωνίζονται για την υπεροχή, οι νικητές και οι ηττημένοι θα φανούν τα επόμενα χρόνια καθώς οι εταιρείες αγωνίζονται να προμηθεύσουν τον κόσμο, από αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η Tesla, η Volkswagen και η BYD και οι κατασκευαστές μπαταριών CATL και LG Energy Solution, έως εταιρείες εξόρυξης όπως η Glencore και η BHP.

Μπαταρίες ιόντων λιθίου στο επίκεντρο της ενεργειακής μετάβασης

Άνοδος ιόντων λιθίου

Εφευρέθηκε τη δεκαετία του 1970 από επιστήμονες με έδρα τις ΗΠΑ και κυκλοφόρησε στο εμπόριο το 1991 από την ιαπωνική Sony για να τροφοδοτήσει τις βιντεοκάμερες Handycam, οι κυψέλες ιόντων λιθίου έχουν πολύ μεγαλύτερη διάτρηση σε μικρότερες και ελαφρύτερες μονάδες από τις μονάδες μολύβδου οξέος ή νικελίου καδμίου που κυριαρχούσαν προηγουμένως στην αγορά επαναφορτιζόμενων μπαταριών.

Έχοντας βοηθήσει στη γέννηση της βιομηχανίας φορητών ηλεκτρονικών ειδών, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν νικήσει τις ανταγωνιστικές τεχνολογίες για να γίνουν η κυρίαρχη δύναμη στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα μετά από πτώση του κόστους κατά 90% την τελευταία δεκαετία. Η συνολική παγκόσμια ανάπτυξη της τεχνολογίας θα μπορούσε να ξεπεράσει τη 1 τεραβατώρα φέτος, που ισοδυναμεί με 17 εκατομμύρια ηλεκτρικά αυτοκίνητα μεσαίου μεγέθους, σύμφωνα με την εταιρεία συμβούλων μπαταριών Rho Motion με έδρα το Λονδίνο.

Ενώ η ζήτηση αναμένεται επίσης να αυξηθεί για αποθήκευση στο δίκτυο, μια βιομηχανία που θα πρέπει να επεκταθεί σε τεράστιο βαθμό για να αντιμετωπίσει τη διαλείπουσα φύση της ηλιακής και αιολικής ενέργειας καθώς οι μονάδες ορυκτών καυσίμων καταργούνται σταδιακά, η συντριπτική πλειονότητα των επενδύσεων ρέει στην πολύ μεγαλύτερη αγορά ηλεκτρικών οχημάτων.

Όλες οι μπαταρίες λειτουργούν με την ίδια αρχή, παράγοντας ρεύμα καθώς ένα ρεύμα ιόντων – ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα – ρέει μέσω ενός χημικού υλικού που είναι γνωστό ως ηλεκτρολύτης από την άνοδο στην κάθοδο, τα δύο ηλεκτρόδια της μπαταρίας. Η ροή αντιστρέφεται κατά την επαναφόρτιση.

Πως παράγεται ρεύμα από μια μπαταρία

Το ιόν λιθίου αναφέρεται σε μια ολόκληρη κατηγορία μπαταριών, που περιγράφει τον τύπο του ιόντος που μεταφέρεται μεταξύ ανόδου και καθόδου και όχι τα ίδια τα υλικά του ηλεκτροδίου, τα οποία ποικίλλουν ευρέως.

Οι προηγμένες καινοτομίες υλικών έχουν οδηγήσει σε μια σειρά από μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες καλύπτουν όχι μόνο διαφορετικές εφαρμογές αλλά και τα χαρακτηριστικά που επιθυμεί ένας κατασκευαστής αυτοκινήτων ή μια εταιρεία κοινής ωφελείας. Αυτά περιλαμβάνουν το κόστος, το βάρος, την εμβέλεια οδήγησης, τον χρόνο φόρτισης, τον αριθμό των κύκλων φόρτισης πριν από την αστοχία και την ασφάλεια — μια αυξανόμενη ανησυχία δεδομένης μιας σειράς πυρκαγιών που πυροδοτήθηκαν από συσκευές ιόντων λιθίου.

Η επανάσταση της μπαταρίας

«Το ιόν λιθίου μας έδωσε μια πλατφόρμα για να ανακαλύψουμε νέα υλικά που θα μπορούσαν να εισέλθουν στην άνοδο, την κάθοδο και τον ηλεκτρολύτη», δήλωσε ο Venkat Srinivasan, διευθυντής του Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, τμήμα ενός εθνικού εργαστηρίου των ΗΠΑ.

Οι άνοδοι συνήθως κατασκευάζονται από γραφίτη και υπαγορεύουν πόσο γρήγορα μπορεί να φορτιστεί μια μπαταρία, ενώ οι κάθοδοι, που διατίθενται σε διάφορα υλικά, είναι ο κύριος καθοριστικός παράγοντας του κόστους μιας μπαταρίας και της ποσότητας ενέργειας που μπορεί να αποθηκεύσει.

Στην αγορά των ηλεκτρικών αυτοκινήτων δύο κύριες χημικές ουσίες καθόδου αντιμετωπίζουν αυτή την εξίσωση: το NMC, το οποίο χρησιμοποιεί λίθιο, νικέλιο, μαγγάνιο και κοβάλτιο σε ποικίλες ποσότητες, και το LFP από λίθιο, σίδηρο και φωσφορικό άλας.

NMC: Πιο φθηνή αρχικά, περισσότερη ενέργεια, μικρότερη διάρκεια ζωής. LFP: Φθηνότερα υλικά, σημαντικά πιο μακροβιότερη, ταχύτερη φόρτιση

Αγώνας μεταξύ δύο τεχνολογιών

Οι νοτιοκορεάτες κατασκευαστές LG Energy Solution και Samsung SDI διαπρέπουν στην παραγωγή καθόδων NMC, οι οποίες χρησιμοποιούνται στην πλειονότητα των ηλεκτρικών οχημάτων που πωλούνται στη Δύση, όπου η μεγαλύτερη αυτονομία τους ταιριάζει καλύτερα στις οδηγικές συνήθειες. Ωστόσο, οι κινεζικές εταιρείες εξακολουθούν να αντιπροσωπεύουν το 75% της παγκόσμιας παραγωγής, σύμφωνα με στοιχεία Benchmark.

Η Κίνα είναι σχεδόν πλήρως κυρίαρχη στις μπαταρίες LFP, αντιπροσωπεύοντας το 99% της παγκόσμιας παραγωγής. Η τεχνολογία έχει καταλάβει τη χώρα χάρη στις βελτιώσεις στην ενεργειακή πυκνότητα, τα υψηλότερα επίπεδα ασφάλειας και το χαμηλότερο κόστος της σε σύγκριση με τις κυψέλες που περιέχουν κοβάλτιο και νικέλιο, καθώς και τις καινοτομίες στην κατασκευή. Το μερίδιο της LFP στην κινεζική αγορά έχει αυξηθεί στο 60% από 18% σε μόλις τρία χρόνια, εκτιμά η Rho Motion.

«Οι Κινέζοι έσπασαν τον κώδικα στο LFP», είπε ο Κρις Μπέρι, πρόεδρος της House Mountain Partners, μιας συμβουλευτικής εταιρείας μετάλλων μπαταριών με έδρα την Ουάσιγκτον.

Η μάχη μεταξύ των χημικών καθόδων θα ασκήσει τεράστια επιρροή στην παγκόσμια προσφορά και ζήτηση λιθίου, νικελίου, κοβαλτίου και μαγγανίου, βοηθώντας ή εμποδίζοντας χώρες προμηθευτές όπως η Ινδονησία, η Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό και η Χιλή.

Παγκόσμια πρόγνωση για την αγορά μπαταριών ως ποσοστό της παραγωγής

Εν τω μεταξύ, οι επιλογές των καταναλωτών, των πολιτικών και των αυτοκινητοβιομηχανιών θα διαδραματίσουν κρίσιμο ρόλο είτε στην παγίωση της λαβής της Κίνας στην παγκόσμια αγορά ηλεκτρικών οχημάτων είτε στη χαλάρωση της και στον κίνδυνο μιας πιο αργής, πιο δαπανηρής ενεργειακής μετάβασης.

«Το ένα τρίτο της αξίας ενός επιβατικού αυτοκινήτου είναι η μπαταρία», δήλωσε ο Ντιρκ Ούε Σάουερ, καθηγητής στην έρευνα μπαταριών και ενεργειακών συστημάτων στο Πανεπιστήμιο RWTH Aachen στη Γερμανία. «Με το να μην έχουμε τον έλεγχο αυτής της τεχνολογίας, θα έχουμε πολλές δυσκολίες στο εγγύς μέλλον σε έναν κόσμο όπου δεν μπορείτε να είστε σίγουροι ποιος θα είναι ο φίλος σας και θα παραδώσει πράγματα αύριο».

Δυτικές νεοφυείς επιχειρήσεις εργάζονται για την ανάπτυξη της δικής τους τεχνολογίας LFP, ενώ οι κορεάτες κατασκευαστές μπαταριών προσπαθούν να καλύψουν τη διαφορά με τους Κινέζους. Η LG Energy Solution, ο μεγαλύτερος παραγωγός μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων μετά την κινεζική CATL, ανακοίνωσε τον Μάρτιο ότι θα διαθέσει 2,3 δισεκατομμύρια δολάρια από μια κατασκευαστική επένδυση 5,5 δισεκατομμυρίων δολαρίων στην Αριζόνα στην παραγωγή μπαταριών LFP για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.

«Μιλάτε για την κατασκευή υποδομών για μια βιομηχανία που πρέπει να αναπτυχθεί 10 φορές τα επόμενα χρόνια», δήλωσε ο Μάικλ Φινέλι, πρόεδρος αναπτυξιακών πρωτοβουλιών στη Solvay, προμηθευτή εξαρτημάτων μπαταριών. «Ενώ μια μπαταρία είναι απλώς μια συσκευή αποθήκευσης, είναι ένα κρίσιμο στοιχείο της ενεργειακής μετάβασης. . . Αυτά τα πράγματα θεωρούνται πλέον στοιχεία εθνικής ασφάλειας. Δεν θέλεις να βασίζεσαι σε άλλη χώρα».

Οι παγκόσμιες αυτοκινητοβιομηχανίες ζητούν από τις κορεατικές εταιρείες να κατασκευάσουν μπαταρίες LFP, αλλά «η Κορέα δεν μπορεί να κερδίσει έναν πόλεμο τιμών με την Κίνα σε αυτό το τμήμα, δεδομένης της τεράστιας κρατικής υποστήριξης της Κίνας», σύμφωνα με τον Σουν Γιανγκ-Κουκ, ειδικό στις μπαταρίες στο Πανεπιστήμιο Hanyang στη Σεούλ.

Αναλαμβάνοντας το προβάδισμα στο LFP, οι Κινέζοι κατασκευαστές έχουν αναπτύξει μέσα παραγωγής της τεχνολογίας φθηνά και σε κλίμακα, καθιστώντας δέσμια τη Δύση.

Η Ford, για παράδειγμα, βρέθηκε στο επίκεντρο μιας πολιτικής καταιγίδας στην Ουάσιγκτον μετά τη συνεργασία με την CATL για μια συμφωνία αδειοδότησης για την παραγωγή μπαταριών LFP στις ΗΠΑ.

Το κόστος των μπαταριών εξαρτάται από την χημεία που χρησιμοποιείται και τις τιμές πρώτων υλών

Το δίλημμα της Δύσης για την κυριαρχία της Κίνας

Τα επόμενα χρόνια, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι πιθανό να υποστούν τροποποιήσεις που βελτιώνουν το απόδοση και μειώνουν το κόστος, για παράδειγμα προσθέτοντας μαγγάνιο στην κάθοδο, αναμειγνύοντας περισσότερο πυρίτιο στην άνοδο του γραφίτη ή αυξάνοντας το νικέλιο σε βάρος του κοβαλτίου στα κύτταρα NMC.

Κάποιοι αναμένουν πιο ριζικές αλλαγές, υποστηρίζοντας ότι οι τεχνολογίες επόμενης γενιάς, όπως οι μπαταρίες ιόντων νατρίου και οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, θα μπορούσαν να κάνουν εμφανιστούν αυτή τη δεκαετία.

Πως η Κίνα επικρατεί στην παγκόσμια εφοδιαστική αλυσίδα μπαταριών

Ωστόσο, ο Τιμ Γουντ-Ντάου, επικεφαλής αναλυτής για το νικέλιο και το κοβάλτιο στην Trafigura, έναν από τους μεγαλύτερους εμπόρους εμπορευμάτων στον κόσμο, είπε ότι ο μεγαλύτερος παράγοντας ταλάντευσης στην αγορά μπαταριών την επόμενη δεκαετία θα ήταν η αντιμετώπιση που ακολουθούσε η Δύση για τους δύο κύριους τύπους καθόδου.

«Οι επενδύσεις σε μπαταρίες στη Δύση ήταν όλες NMC», είπε, αλλά «θα μπορούσε να υπάρξει σημαντική αλλαγή στο LFP» αργότερα αυτή τη δεκαετία.

Η επιλογή για τις ΗΠΑ και την Ευρώπη, λένε οι ειδικοί μπαταριών, αντιπροσωπεύει τελικά τη λεπτή ισορροπία που πρέπει να επιτύχει η Δύση μεταξύ της μείωσης της εξάρτησης από την Κίνα ή της αποδοχής της ως του κόστους διατήρησης της πρόσβασης σε εξαιρετικά ανταγωνιστικές και προσιτές τεχνολογίες.

«Το πρόβλημα είναι πώς να ανταγωνιστείς την Κίνα», είπε η Σίρλεϊ Μενγκ, επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, προσθέτοντας ότι ενώ η κυβέρνηση των ΗΠΑ πίεζε να μειώσει την εξάρτηση της χώρας από το ασιατικό κράτος, «οι Κινέζοι έχουν την τεχνογνωσία . . . Δεν έχει νόημα να εφεύρουμε ξανά τον τροχό όταν οι Κινέζοι έχουν βελτιστοποιήσει τη διαδικασία».