Pracovníci továrny montují lithium-iontové baterie v závodě China BAK Battery Inc. v Tianjinu, . [+] Čína. China BAK Battery prostřednictvím svých operací se sídlem v Číně vyrábí a distribuuje standardní a přizpůsobené lithium-iontové baterie pro použití v mobilních telefonech a jiných přenosných elektronických aplikacích. Fotograf: Keith Bedford/Bloomberg
Svět se stále více elektrizuje. Rozvojové země nejen zvyšují dostupnost elektřiny pro své obyvatelstvo, ale rychlým tempem postupuje i elektrifikace stávající dopravní infrastruktury. Předpokládá se, že do roku 2040 bude více než polovina aut na silnicích poháněna elektřinou.
Baterie hrají v tomto přechodu zásadní roli, ale zdá se, že relativně nový typ baterií bude zcela jistě dominovat jak v osobní elektronice, tak i v dopravě a těžkých průmyslových aplikacích.
Ve skutečnosti je tato nadvláda dobře rozjetá.
Stručná historie baterií
Baterie jsou součástí našeho každodenního života již dlouhou dobu. První skutečnou baterii na světě vynalezl v roce 1800 italský fyzik Alessandro Volta. Vynález představoval pozoruhodný průlom, ale od té doby došlo pouze k několika významným inovacím.
První byla olověná baterie, která byla vynalezena v roce 1859. Jednalo se o první dobíjecí baterii a dodnes je nejběžnější baterií používanou ke spouštění spalovacích motorů.
V posledních dvou stoletích se objevilo několik inovativních konstrukcí baterií, ale teprve v roce 1980 byl vynalezen skutečný herní měnič. To bylo, když průlomy na univerzitě v Oxfordu a Stanfordské univerzitě vedly k vývoji lithium-iontové baterie. Společnost Sony uvedla na trh první lithium-iontovou baterii v roce 1991.
Co je na lithiu tak zvláštního?
V lithium-iontové baterii migruje kov lithia baterií z jedné elektrody na druhou jako lithium iont. Lithium je jedním z nejlehčích prvků a má nejsilnější elektrochemický potenciál ze všech prvků. To umožňuje baterii na bázi lithia uložit velké množství energie do malé, lehké baterie. V důsledku toho se lithium-iontové baterie staly baterií volby v mnoha spotřební elektronice, jako jsou notebooky a mobilní telefony.
Lithium-iontové baterie získávají na síle
Vzhledem k přirozeným výhodám lithium-iontových baterií prodej od přelomu století exponenciálně rostl. To pomohlo trvale snížit náklady. Klesající náklady také pomohly lithium-iontovým bateriím získat pevnou oporu v nových aplikacích.
Podle výzkumné organizace BloombergNEF klesla objemově vážená průměrná cena lithium-iontové baterie (která zahrnuje článek a sadu) v letech 85-2010 o 18 % a dosáhla v průměru 176 $/kWh. BloombergNEF dále předpokládá, že ceny klesnou na 94 USD/kWh do roku 2024 a 62 USD/kWh do roku 2030.
Tato klesající nákladová křivka má důležité důsledky pro všechny společnosti, které ve svých službách využívají baterie, nebo pro ty, které potřebují energii skladovat (např. K dnešnímu dni byla většina prodejů lithium-iontových baterií v sektoru spotřební elektroniky, ale budoucí prodeje budou stále více taženy elektromobily.
Většina aut na silnicích dnes stále používá olověnou baterii a spalovací motor. Prodej elektromobilů – poháněných lithium-iontovými bateriemi – se však za posledních pět let zvýšil více než desetinásobně. Kromě toho stále více zemí zavádí budoucí zákazy automobilů založených na vnitřním spalování s očekáváním, že elektrická vozidla nakonec převládnou v osobní dopravě.
To samozřejmě znamená mnohem větší budoucí poptávku po bateriích. Natolik, že výrobce elektromobilů Tesla ve spolupráci se společností Panasonic investuje miliardy dolarů do výstavby nových továren na lithium-iontové baterie. Přesto američtí výrobci lithium-iontových baterií zaostávají v podílu na trhu.
Související rostoucí trh pro lithium-iontové baterie je v těžkých průmyslových aplikacích, jako jsou vysokozdvižné vozíky, zametací stroje a čističky, aplikace na pozemních letištích a automaticky naváděná vozidla (AGV). Těmto specializovaným aplikacím historicky sloužily olověné baterie a spalovací motory, ale ekonomika se rychle posunula ve prospěch lithium-iontových baterií.
Jedna země se však chopila dynamiky a vytvořila si vedoucí postavení na trhu před svými konkurenty v tomto prostoru. Ale nejsou to USA, kde se odehrála velká část kritického výzkumu a vývoje, který vytvořil lithium-iontovou baterii.
Čína na sedadle řidiče
Podle analýzy BloombergNEF bylo na začátku roku 2019 316 gigawatthodin (GWh) celosvětové výrobní kapacity lithiových článků. Čína je domovem 73 % této kapacity, následují USA, které jsou na druhém místě s 12 % celosvětové kapacity.
Očekává se, že globální kapacita výrazně poroste do roku 2025, kdy BloombergNEF předpovídá 1,211 XNUMX GWh globální kapacity. Předpokládá se, že kapacita v USA poroste, ale pomaleji než globální kapacita. Předpokládá se tedy, že podíl USA na celosvětové výrobě lithiových článků se sníží.
Tesla se snaží tento problém řešit výstavbou vlastních továren na baterie, ale pro společnosti, které dodávají širokou škálu těchto typů baterií, jako je například kalifornský OneCharge, se hledání místních dodavatelů ukázalo jako náročné. Nedávno jsem mluvil s generálním ředitelem společnosti OneCharge Alexem Pisarevem, který zdůraznil výzvy, kterým jeho společnost čelila:
„Američtí výrobci by rádi použili lithium-iontové články vyrobené v USA,“ řekl mi Pisarev, „ale to dnes není reálné. Musíme je tedy nadále dovážet z Číny.“
Čína jde stejnou cestou, jakou se dříve vydávala se solárními panely. Zatímco solární články vynalezl americký inženýr Russell Ohl, dnes globálnímu trhu solárních panelů dominuje Čína. Nyní se Čína zaměřuje na kontrolu světové výroby lithium-iontových baterií.
Je lepší mít co nejlevnější zelené technologie, i když to znamená přenechat výrobu jiným zemím? Nízké ceny solárních panelů pomohly vyvolat explozi růstu nových solárních PV, a to zase podpořilo mnoho pracovních míst v USA. Ale většina těchto panelů je vyrobena v Číně. Trumpova administrativa se to pokusila vyřešit zavedením cel na dovážené solární panely, ale většina solárního průmyslu v USA se těmto clům důrazně postavila.
Čína má velkou výhodu levné pracovní síly, která jí umožnila ovládnout mnoho výrobních odvětví. Ale Čína má také více zásob lithia a mnohem větší produkci lithia než USA V roce 2018 byla čínská produkce lithia 8,000 2018 metrických tun, třetí mezi všemi zeměmi a téměř desetinásobek produkce lithia v USA. Čínské zásoby lithia v roce 30 činily jeden milion metrických tun, což je téměř XNUMXkrát více než v USA.
Cesta vpřed
Trendy signalizují, že lithium-iontové baterie budou stále více nahrazovat olověné baterie v odvětví dopravy a těžké techniky. Jde o zásadní vývoj ve světě, který se potýká s rekordními emisemi oxidu uhličitého.
Ale s takovou výhodou jak ve výrobních nákladech, tak v dostupnosti surovin, mohou USA konkurovat Číně na světovém trhu? Pokud ne, protože rostoucí počet lithium-iontových baterií dosáhne konce své použitelnosti, mohou si USA vytvořit konkurenční trh pro recyklované lithium?
To jsou důležité otázky, které je třeba řešit.
Přechod na lithiové baterie otevírá mnoho nových výzev a příležitostí. Ale USA potřebují účinnou strategii, aby se vyhnuly postoupení další příležitosti k výrobě čisté energie Číně.
41 % vlastněných Číňany
Rafinace kobaltu
73 % v Číně
77 % vyrobeno v Číně
Může svět vyrobit baterii pro elektromobily bez Číny?
92 % vyrobeno v Číně
Bateriové články
66 % vyrobeno v Číně
Elektrická auta
54 % vyrobeno v Číně
41 % vlastněných Číňany
92 % vyrobeno v Číně
Rafinace kobaltu
Bateriové články
66 % vyrobeno v Číně
73 % v Číně
Elektrická auta
54 % vyrobeno v Číně
77 % vyrobeno v Číně
41 % vlastněných Číňany
92 % vyrobeno v Číně
Bateriové články
Rafinace kobaltu
66 % vyrobeno v Číně
73 % v Číně
Elektrická auta
54 % vyrobeno v Číně
77 % vyrobeno v Číně
41 % vlastněných Číňany
92 % vyrobeno v Číně
Bateriové články
66 % vyrobeno v Číně
Rafinace kobaltu
73 % v Číně
Elektrická auta
54 % vyrobeno v Číně
77 % vyrobeno v Číně
Je to jedna z určujících soutěží naší doby: Země, které mohou vyrábět baterie pro elektromobily, budou sklízet desetiletí ekonomických a geopolitických výhod. Jediným vítězem je zatím Čína. Navzdory miliardovým západním investicím je Čína tak daleko napřed – těží vzácné nerosty, školí inženýry a staví obrovské továrny – že zbytku světa může trvat desetiletí, než ji dožene. Podle odhadů poradenské skupiny Benchmark Minerals bude Čína dokonce do roku 2030 vyrábět více než dvojnásobek baterií než všechny ostatní země dohromady. Zde se dozvíte, jak Čína kontroluje každý krok výroby lithium-iontových baterií, od získávání surovin ze země až po výrobu automobilů, a proč tyto výhody pravděpodobně přetrvají.
Hornictví
Čína kontroluje základní vzácné minerály
Čína ovládá 41 % světového kobaltu
Čína ovládá 41 % světového kobaltu
28 % lithia
Zdroj: CRU Group Poznámka: Data za rok 2022
Elektromobily používají kvůli baterii asi šestkrát více vzácných minerálů než konvenční auta a Čína musí rozhodnout, kdo získá minerály jako první a za jakou cenu. Přestože má Čína málo podzemních nalezišť základních složek, uplatňuje dlouhodobou strategii, jak si koupit cestu k levné a stabilní nabídce. Čínské společnosti, spoléhající na státní pomoc, získaly podíly v těžařských společnostech na pěti kontinentech. Čína vlastní většinu kobaltových dolů v Kongu, které má většinu světových dodávek tohoto vzácného materiálu potřebného pro nejběžnější typ baterie. Americké společnosti nedokázaly udržet krok a dokonce prodaly doly svým čínským protějškům. V důsledku toho Čína kontroluje 41 procent světové těžby kobaltu a nejvíce těžby lithia, které nese elektrický náboj baterie.
Čína kontroluje 6 % světového niklu
78 % grafitu
5% manganu
Čína kontroluje 6 % světového niklu
78 % grafitu
5% manganu
Zdroj: CRU Group, U.S.G.S. Poznámka: Údaje za rok 2022
Celosvětové zásoby niklu, manganu a grafitu jsou mnohem větší a baterie využívají jen zlomek. Ale stálý přísun těchto nerostů z Číny jí stále dává výhodu. Čínské investice v Indonésii jí pomohou stát se do roku 2027 největším kontrolorem niklu, podle prognóz poradenské firmy CRU Group. Grafit se většinou těží v Číně. Američtí výrobci syntetizují grafit s mnohem vyššími náklady. Západní země vlastní doly i v zahraničí a snaží se dohnat Čínu. Ale více se zdráhali vkládat peníze do zemí s nestabilními vládami nebo špatnými pracovními postupy. A pomalu rozšiřovali vlastní produkci. Nový důl může trvat více než 20 let, než dosáhne plné produkce. Přestože Spojené státy investují do využívání svých významných zásob lithia, toto úsilí narazilo na řadu místních a ekologických problémů.
Rafinace
Svět se při zpracování nerostů spoléhá na Čínu
Čína rafinuje 95 % manganu
73 % kobaltu
70 % grafitu
67 % lithia
63 % niklu
Čína rafinuje 95 % manganu
73 % kobaltu
70 % grafitu
67 % lithia
63 % niklu
95 % manganu se rafinuje v Číně
73 % kobaltu
70 % grafitu
67 % lithia
63 % niklu
Zdroj: CRU Group Poznámka: Data za rok 2022
Bez ohledu na to, kdo těží nerosty, téměř vše se posílá do Číny, aby bylo zpracováno na materiály pro baterie. Jakmile je ruda odebrána ze země, je obvykle rozdrcena a poté zpracována teplem a chemikáliemi, aby se izolovaly minerální sloučeniny. Proces je nehospodárný: Kobalt vytváří asi 860 liber odpadní horniny na každou libru rafinovaného kobaltového prášku. Rafinace vyžaduje obrovské množství energie. Bateriové minerály vyžadují k výrobě třikrát až čtyřikrát více energie než ocel nebo měď. Výhodnou formu lithia je například třeba zahřát, napařit a vysušit. Čínské společnosti, podporované vládou levnou půdou a energií, byly schopny rafinovat nerosty ve větším objemu a nižších nákladech než všichni ostatní. To způsobilo uzavření rafinérií jinde. Rafinace také často způsobuje znečištění a čínské rafinérie těží z méně přísných ekologických předpisů. Broušení grafitu způsobuje znečištění ovzduší. Při zpracování niklu vzniká toxický odpad, který se musí likvidovat ve speciálních strukturách v oceánu nebo pod zemí. Odborníci tvrdí, že používání udržitelnějších metod zpracování nerostů z baterií zvyšuje náklady. Dnes mají Spojené státy malou zpracovatelskou kapacitu. Výstavba rafinérie obvykle trvá dva až pět let. Školení pracovníků a seřizování zařízení může trvat déle. První australská rafinerie lithia, která má část čínského vlastnictví, byla schválena v roce 2016, ale až do loňského roku nedokázala vyrábět lithiové baterie.
Komponenty
Čína vyrábí většinu dílů, které jsou součástí baterie
Čína vyrábí 77 % katod
92 % anod
74 % separátorů
82 % elektrolytů
Lithiové ionty se během nabíjení a vybíjení pohybují mezi katodou a anodou.
Čína vyrábí 74 % separátorů
77 % katod
92 % anod
Lithiové ionty se během nabíjení a vybíjení pohybují mezi katodou a anodou.
Zdroje: IEA, Yano Research Institute Poznámka: Data za rok 2021
Čína se stala největším výrobcem baterií částečně tím, že přišla na to, jak vyrábět komponenty baterií efektivně a s nižšími náklady. Nejdůležitější součástí je katoda, která je kladným pólem baterie. Ze všech materiálů baterií je výroba katod nejobtížnější a energeticky nejnáročnější. Až do několika posledních měsíců nejběžnější katoda používala kombinaci niklu, kobaltu a manganu, známé také jako katody NMC. Tento vzorec umožňuje baterii uložit velké množství elektřiny na malém prostoru, což poskytuje elektromobilu delší dojezd. Čína investovala do levnější alternativy, která nyní zabrala polovinu katodového trhu. Známé jako LFP, pro fosforečnan lithný a železitý, tyto katody používají široce dostupné železo a fosfát místo niklu, manganu a kobaltu. Pro západní země je LFP příležitostí obejít úzká místa v dodávkách nerostných surovin. Ale Čína produkuje téměř všechny LFP na světě.
Čína vyrábí 73 % NMC katod
Čína vyrábí 73 % NMC katod
Zdroj: CRU Group Poznámka: Údaje pro kategorii „NMC katody“ zahrnují NMC, NCA, NMCA; „LFP katody“ zahrnují LFP, LMFP. Údaje za rok 2022.
Dnes Spojené státy vyrábí pouze asi 1 procento světových katod, z nichž všechny jsou NMC. Americké společnosti mají o LFP zájem, ale musí se spojit s čínskými společnostmi, které mají zkušenosti s jeho výrobou. Čínské společnosti vyrábějí většinu ostatních součástí baterie. Dominují výrobě anod, negativního konce baterie. Čína také prodává nejvíce separátorů, což je vrstva, která prochází mezi katodou a anodou, aby se zabránilo zkratu. Pro vodivost jsou potřeba elektrolyty, vyrobené převážně ze solí lithia a rozpouštědla, a čtyři největší výrobci elektrolytů na světě jsou Číňané.
Montáž
Čína vyrábí nejvíce baterií a nejvíce aut
Čína vyrábí 66 % světových bateriových článků
Každé auto má tisíce buněk.
Čína vyrábí 66 % světových bateriových článků
Každé auto má tisíce buněk.
Zdroj: IEA Poznámka: Data za rok 2021. Grafika znázorňuje válcové články používané mnoha americkými značkami automobilů.
Čína má na silnicích nejvíce elektromobilů a téměř všechny používají baterie čínské výroby. V roce 2015 Peking uzákonil politiku blokování zahraničních rivalů a zvýšení spotřebitelské poptávky. Čínští výrobci baterií jako CATL a BYD rostli na úkor svých japonských a jihokorejských konkurentů a stali se největšími na světě. O osm let později nyní Bidenova administrativa prosazuje podobnou strategii na podporu vývoje baterií ve Spojených státech. Ale v podnikání s obrovskými kapitálovými náklady a nízkými ziskovými maržemi mají čínské společnosti po letech státního financování a zkušeností velký náskok. Montáž baterie je složitá a technická. Při výrobě jsou katodové a anodové materiály připevněny k tenkým kovovým plátům, z nichž každá má asi jednu pětinu tloušťky lidského vlasu. Ty jsou pak naskládány se separátory, navlhčeny elektrolyty a srolovány. Celý proces musí probíhat v místnostech, které minimalizují částice vzduchu a vlhkost. Podle Heinera Heimese, profesora na RWTH Aachen University v Německu, může Čína postavit továrny na baterie za téměř poloviční náklady než země v Severní Americe nebo Evropě. Hlavní důvody: Náklady na pracovní sílu jsou nižší a v Číně je více výrobců zařízení.
Čína vyrábí 54 % světových elektromobilů
Čína vyrábí 54 % světových elektromobilů
Zdroj: IEA Poznámka: Data za rok 2021
Američtí investoři zůstávají opatrní ohledně investování peněz do elektrických vozidel. Tradiční auta jsou stále velmi zisková, američtí pracovníci musí být vyškoleni v nových dovednostech a vládní pobídky USA, aby pomohly E.V. průmysl by mohl zmizet s příštím cyklem prezidentských voleb. Čína podle Centra pro strategická a mezinárodní studia utratila více než 130 miliard dolarů na výzkumné pobídky, vládní zakázky a spotřebitelské dotace. Kupující elektromobilů v Číně získávají daňové úlevy, levnější registraci vozidel, preferenční parkování a přístup k rozsáhlé dobíjecí síti. Investice Číny umožnily této zemi stát se světovou jedničkou ve výrobě, vybavení a designu produktů. Odborníci tvrdí, že je téměř nemožné, aby se jakákoli jiná země stala soběstačná v dodavatelském řetězci baterií, bez ohledu na to, zda má levnější pracovní sílu nebo najde jiné globální partnery. Společnosti kdekoli na světě budou usilovat o navázání partnerství s čínskými výrobci, aby vstoupili do tohoto odvětví nebo v něm expandovali. „Neexistuje žádný způsob, jak se někdo stane úspěšným v elektrických vozidlech, aniž by měl nějaký druh spolupráce s Čínou, ať už přímo, nebo nepřímo,“ řekl Scott Kennedy, hlavní poradce C.S.I.S.
O údajích o těžbě a rafinaci: Vlastnický podíl je založen na odhadovaných objemech výroby vynásobených majetkovým podílem na vlastním kapitálu, jak je určeno na základě podání veřejných společností a oznámení společnosti. Země původu vlastníka je založena na umístění sídla společnosti. Objemy produkce jsou upraveny o výnos nerostů podle typu zdroje a prognózy produkce zohledňují riziko projektu, proveditelnost a tržní podmínky.
