Ενέργεια
Μπαταρία Κυψέλης Μέλιτος για Πιθανή Υπέρβαση των Στερεών Μπαταριών
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Μπαταρίες για την Ηλεκτροποίηση του Κόσμου
Η τεχνολογία μπαταριών αλλάζει τον κόσμο με αμέτρητους τρόπους. Το πιο προφανές παράδειγμα είναι τα ηλεκτρικά οχήματα, αλλά οι προηγμένες μπαταρίες είναι επίσης η κινητήρια δύναμη πίσω από τη αυξανόμενη σημασία των drones και άλλων φουτουριστικών καινοτομιών όπως το μαγνητικό τρένο, τα τρένα Hyperloop και ακόμη μαζικοί οδηγοί για την κατάκτηση του διαστήματος.
Θα είναι επίσης απαραίτητες για να κάνουν το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας μας πράσινο, εξομαλύνοντας τις καμπύλες παραγωγής ενέργειας των ηλιακών πάνελ το βράδυ και των ανεμογεννητριών τις ημέρες χωρίς άνεμο.
Πηγή: Statista
Προς το παρόν, η τεχνολογία μπαταριών βασίζεται στην τεχνολογία λιθίου-ιόντων, μια ανακάλυψη τόσο ουσιώδης που κέρδισε το Βραβείο Νόμπελ Χημείας το 2019 (μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για την ιστορία της ανακάλυψής της στο αφιερωμένο μας άρθρο).
Ωστόσο, οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων έχουν έναν σοβαρό περιορισμό. Με την πάροδο του χρόνου, εκρήξεις μεταλλικού λιθίου, που ονομάζονται ντεντρίτες, αυξάνονται ελαφρώς σε κάθε κύκλο φόρτισης/αποφόρτισης. Αυτό μπορεί να οδηγήσει τις ντεντρίτες να διατρυπήσουν τα εξαρτήματα της μπαταρίας, δημιουργώντας ένα σύντομο κύκλωμα. Ο κίνδυνος ενός τέτοιου σύντομου κυκλώματος εντείνεται ακόμη περισσότερο από το γεγονός ότι οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων χρησιμοποιούν εύφλεκτα ηλεκτρολύτες, καθιστώντας τις πυρκαγιές μπαταριών πολύ θερμές και δύσκολες να σβηστούν.
Αυτό είναι ένα πρόβλημα που μοιράζεται σε κάποιο βαθμό από όλες τις μπαταρίες βασισμένες στο λίθιο, συμπεριλαμβανομένης της χημείας LFP (Λιθίου-Σιδήρου-Φωσφορικού). Τουλάχιστον μέχρι τώρα.
Πηγή: Nobel Prize
Για μεγάλο χρονικό διάστημα, η εναλλακτική θεωρήθηκε είτε μια εντελώς διαφορετική χημεία όπως το νάτριο-ιόν, είτε μια διαφορετική έννοια μπαταρίας, ιδιαίτερα οι στερεές μπαταρίες, που δεν χρησιμοποιούν καθόλου ηλεκτρολύτες.
Αυτό ίσως δεν είναι αλήθεια. Ο κορυφαίος κατασκευαστής μπαταριών CATL ανακοίνωσε ότι ένα νέο σχέδιο «κυψέλης μέλιτος» μπορεί να δημιουργήσει μπαταρίες χωρίς σημάδια φθοράς μετά από 5 χρόνια εντατικής χρήσης.
Αυτό το σχέδιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μπαταριών με ενεργειακή πυκνότητα ίση με αυτή των στερεών μπαταριών, ενώ εξακολουθεί να χρησιμοποιεί κυρίως την τρέχουσα τεχνολογία.
Κυψέλες Μέλιτος για Περισσότερη Ενέργεια.
Ένας βασικός λόγος για τη φθορά των μπαταριών και την ανάπτυξη ντεντριτών είναι ότι το υλικό συστέλλεται και διαστέλλεται κατά κάθε κύκλο φόρτισης/αποφόρτισης όταν τα ιόντα λιθίου εισέρχονται στο πλέγμα του άνοδος.
Η διαχείριση της συστολής/διάτασης είναι επίσης ένα από τα κύρια ζητήματα που έχουν εμποδίσει την ανάπτυξη στερεών μπαταριών. Η CATL ισχυρίζεται ότι βρήκε λύση αναπτύσσοντας μια πολύπλοκη δομή παρόμοια με κυψέλη μέλιτος για το υλικό του άνοδος.
Η ιδέα δεν είναι εντελώς καινούργια, καθώς είχε ήδη προταθεί από ερευνητές, όπως για παράδειγμα σε ένα επιστημονικό άρθρο του 2020 με τίτλο «Ευέλικτη μπαταρία λιθίου-ιόντων βασισμένη σε νέα μικρο-κυψέλη δομή».
Πηγή: Phys.org
Η εταιρεία ανακοίνωσε μια νέα μπαταρία LFP (λιθίου-σιδήρου-φωσφορικού) που μπορεί να προσθέσει 600 km εμβέλειας σε μόλις 10 λεπτά. Συνολικά η εμβέλεια οδήγησης θα μπορούσε να ξεπεράσει τα 1.000 km (600 μίλια), εξαλείφοντας εντελώς το «άγχος εμβέλειας» για τους μελλοντικούς ιδιοκτήτες EV.
Συνολικά, αυτό σημαίνει ότι 1 km εμβέλειας μπορεί να φορτιστεί κάθε δευτερόλεπτο και μια πλήρης φόρτιση για 1.000 km θα διαρκέσει 16,6 λεπτά.
Νέα Καταγραφή Πυκνότητας
Αυτή η εντυπωσιακή εμβέλεια είναι δυνατή επειδή «η ενεργειακή πυκνότητα του συστήματος μπαταριών Shenxing ξεπέρασε για πρώτη φορά το όριο των 200 Wh/kg, φθάνοντας τα 205 Wh/kg».
Αυτό επιτεύχθηκε χάρη σε μια δομή «κυψέλης μέλιτος» που ουσιαστικά διατηρεί το υλικό στη σωστή θέση, αποφεύγοντας ρωγμές και συστολή κατά τη φόρτιση.
Η εταιρεία, φυσικά, είναι σχετικά μυστική σχετικά με τις λεπτομέρειες της διαδικασίας παραγωγής της, καθώς η τεχνολογία μπαταριών είναι ίσως ένας από τους πιο ανταγωνιστικούς τομείς στον κόσμο αυτή τη στιγμή, ιδιαίτερα με την επόμενη γενιά μπαταριών λεπίδας της BYD που αναμένεται να φτάσει τα 190 Wh/kg.
Μυστικά Κατασκευής
Γνωρίζουμε ότι χρησιμοποίησαν κάτι που ονομάζεται «διακριτική διαβάθμιση/νανομετρική ενθυλάκωση», η οποία μπορεί να τοποθετήσει κάθε νανομετρικό σωματίδιο μέσα στο κύτταρο στη σωστή θέση. Αναφέρθηκαν επίσης σε «γρήγορη αγώγιμη επίστρωση λιθίου-ιόντων» για να επιταχύνουν τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ των 2 πόλων της μπαταρίας.
Τα εργοστάσια της CATL είναι εξαιρετικά αυτοματοποιημένα και μπορούν να παράγουν μία από τις νέες μπαταρίες LFP κάθε 1 δευτερόλεπτο στο κορυφαίο εργοστάσιό τους.
Από ένα επιστημονικό άρθρο του 2021, μπορούμε να μάθουμε μερικά από τα βασικά πλεονεκτήματα των σχήματος κυψέλης, ιδιαίτερα τη χαμηλή πυκνότητα και τις υψηλές ιδιότητες συμπίεσης και διάτμησης εκτός επιπέδου (αντίσταση των υλικών σε δυνάμεις που δρουν παράλληλα αλλά αντίθετες).
Η διάταξη κυψέλης γραφενίου αποτρέπει αποτελεσματικά τη συσσώρευση νανοσωματιδίων πυριτίου, βελτιώνει την ηλεκτρική αγωγιμότητα και μειώνει την αντίσταση μεταφοράς Li+.
Αν και δεν είναι σαφές πώς το πέτυχε η CATL, ορισμένες από αυτές τις μεθόδους είναι γνωστές· για παράδειγμα, διαδοχικές θερμικές και χημικές επεξεργασίες με άνθρακα και οξύ μπορούν να δημιουργήσουν μια νανο-κυψέλη δομή.
Πηγή: Chemistry Europe
Πηγή: Chemistry Europe
Άλλες Βελτιώσεις
Στην τεχνολογία μπαταριών, κάθε βελτίωση μετράει καθώς μπορεί να συνδυαστεί με τις άλλες για να κάνει τη μπαταρία πιο πυκνή. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, μειώνεται ο όγκος μπαταρίας που απαιτείται για μια συγκεκριμένη απόσταση. Αυτό με τη σειρά του μειώνει το συνολικό βάρος, αυξάνοντας περαιτέρω την εμβέλεια και/ή τις απαιτούμενες μπαταρίες.
Παράλληλα με τη δομή κυψέλης, η CATL ανακοίνωσε επίσης μερικές άλλες βελτιώσεις. Ένας παράγοντας που ενισχύει τη νέα πυκνότητα μπαταριών της CATL είναι η βελτιστοποιημένη τεχνολογία cell-to-body (CTB), η οποία βελτιστοποιεί τον χώρο που καταλαμβάνει η μπαταρία στο πακέτο. Αυτό οδήγησε σε βελτίωση της αποδοτικότητας όγκου κατά 7%.
Άλλες λειτουργίες είναι το υπερυψηλής απόδοσης ψύξης υψηλής τάσης, που μειώνει την κατανάλωση ενέργειας από το σύστημα ψύξης. Ένας αλγόριθμος διαχείρισης μπαταρίας με τεχνητή νοημοσύνη εξασφαλίζει επίσης την ασφάλεια της μπαταρίας.
Υποδομή Φόρτισης
Η υποδομή για τη φόρτιση των EV αποτελεί περιοριστικό παράγοντα εδώ και πολύ καιρό, κυρίως επειδή χρειάζεται ένα δίκτυο τόσο πυκνό όσο τα υπάρχοντα πρατήρια καυσίμων για να αποφευχθούν μεγάλες αναμονές και κενά στο δίκτυο φόρτισης σε απομακρυσμένες περιοχές. Ωστόσο, ένα άλλο ζήτημα εμφανίζεται, το οποίο είναι η χωρητικότητα αυτών των σταθμών φόρτισης.
Καθώς οι μπαταρίες γίνονται πιο ικανές να διαχειρίζονται τεράστιες φορτίσεις ισχύος και γρήγορη φόρτιση, οι ίδιοι οι σταθμοί φόρτισης χρειάζονται μεγαλύτερη χωρητικότητα. Η γρήγορη φόρτιση 16 λεπτών για 1.000 km απαιτεί διαδικασία φόρτισης 4C, η οποία απαιτεί μια τεράστια ισχύ φόρτισης 400 kW για μια μπαταρία 100 kWh.
Για αυτόν τον λόγο, η CATL ανακοίνωσε τότε ότι εισέρχεται στην αγορά υποδομών φόρτισης. Θα ξεκινήσει την κατασκευή του Δικτύου Υπερ-γρήγορης Φόρτισης Shenxing στην Κίνα, συνεργαζόμενη με κορυφαίους εταίρους της βιομηχανίας όπως η Star Charge, η YKC και η Shudao New Energy.
Συνολικά, σχεδιάζει 600 σημεία εξυπηρέτησης που καλύπτουν 271 πόλεις επιπέδου προεστίας σε 31 περιοχές επιπέδου επαρχίας. Η παροχή μπαταριών, δικτύων φόρτισης και υπηρεσιών όπως η επιθεώρηση και η συντήρηση μπαταριών στοχεύει στη δημιουργία ενός κλειστού οικοσυστήματος.
Πέρα από LFP & EV
Κλίμακα Υποδομής
Η CATL είναι ολοένα και πιο ενεργή στην αγορά μπαταριών κλίμακας υποδομής, με φαινομενικό νέο ενδιαφέρον για τη χρήση χημείας βασισμένης στο λίθιο, μετά την εξέταση του νάτριο-ιόντος.
Ιδιαίτερα, δήλωσε ότι ένα πιλοτικό έργο, χρησιμοποιώντας το σύστημα μπαταριών κοντέινερ TENER, έχει δείξει μηδενική φθορά στη χωρητικότητα μετά από πλήρη 5ετή λειτουργία.
Πηγή: Sustainability Environment
Η δομή κυψέλης πιθανότατα γίνεται κεντρικό μέρος της αρχιτεκτονικής μπαταριών της CATL. Αν και δεν δηλώνεται ρητά, αυτό είναι πιθανότατα αυτό που αναφερόταν η CATL όταν μιλούσε για το TENER:
Για την υλοποίηση του TENER, η εταιρεία χρησιμοποίησε ένα SEI με βιομιμητικά κανάλια ιόντων και υψηλή σταθερότητα, μαζί με τεχνολογίες αυτοσυναρμολογούμενου ηλεκτρολύτη δημιουργώντας αυτό που αποκαλεί «σύστημα αποθήκευσης ενέργειας χωρίς ηλικία».
Βασιζόμενο στην τεχνολογία αιχμής και τις ακραίες δυνατότητες παραγωγής, έχουμε λύσει τις προκλήσεις των εξαιρετικά ενεργών μετάλλων λιθίου […], που βοηθούν αποτελεσματικά στην πρόληψη της θερμικής αστάθειας που προκαλεί η οξείδωση»,
Αυτή η πρωτοφανής απόδοση του TENER θα μπορούσε να αλλάξει εντελώς την εξίσωση για την σταθερή αποθήκευση μπαταριών, καθώς η μη φθορά σημαίνει πολύ καλύτερο προφίλ ασφαλείας. Επίσης αλλάζει τον υπολογισμό της απόσβεσης, υποσχόμενη ένα πολύ πιο ανθεκτικό πακέτο μπαταριών, ένα βασικό σημείο για τις εταιρείες υποδομής.
Έτσι, άλλες χημείες θα μπορούσαν ακόμη να κερδίσουν αυτήν την αγορά, όπως συζητήσαμε στο «Το Μέλλον της Αποθήκευσης Ενέργειας – Τεχνολογία Μπαταριών Κλίμακας Υποδομής». Αλλά είναι επίσης δυνατόν το λίθιο να κατακτήσει την αγορά υποδομής, η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη ακόμη και από τη γιγαντιαία και αυξανόμενη αγορά EV.
Συμπυκνωμένη Κατάσταση
Είναι επίσης δυνατόν οι δομές κυψέλης να βρίσκονται πίσω από τη μπαταρία «συμπυκνωμένη κατάσταση» που αποκαλύφθηκε το 2023 και αναμένεται να εμπορευματοποιηθεί σύντομα.
Αυτές οι μπαταρίες λιθίου (όχι LFP) ισχυρίζονται ότι παρουσιάζουν ενεργειακή πυκνότητα 500 Wh/kg, ή 2,5 φορές μεγαλύτερη από τις πρόσφατα ανακοινωμένες μπαταρίες LFP.
Δεν έχει ανακοινωθεί τιμή για αυτό το έργο, έτσι η επερχόμενη σειρά προϊόντων της CATL φαίνεται ως εξής:
- Συμπυκνωμένη κατάσταση στα 500 Wh/kg για υψηλής τεχνολογίας EV και ίσως και νέες αγορές όπως αεροπλάνα που λειτουργούν με ηλεκτρισμό.
- Προηγμένο LFP στα 200 Wh/kg για EV με μεσαία τιμή, με εμβέλεια 1.000 km που μπορεί να φορτιστεί σε 16 λεπτά με τη σωστή υποδομή φόρτισης.
- Νάτριο-ιόν για φθηνά EV με μικρότερη εμβέλεια.
Δεν είναι σαφές πού θα ενταχθούν οι στερεές μπαταρίες σε αυτό το μίγμα. Κάποιοι επενδυτές ίσως ανησυχούν ότι η πρώτη γενιά σχεδίου στερεών μπαταριών θα μπορούσε να ξεπεραστεί από την κλίμακα παραγωγής των προηγμένων LFP και των μπαταριών συμπυκνωμένης κατάστασης της CATL.
Πηγή: Nature
Επένδυση σε Προηγμένες Τεχνολογίες Μπαταριών
Οι μπαταρίες βρίσκονται στο κέντρο της τάσης της ηλεκτροποίησης, η οποία αποτελεί μια τεράστια πολυτρισεκατομμυριαδολαριακή προσπάθεια που στοχεύει στην απομάκρυνση των ορυκτών καυσίμων από τις πηγές ενέργειάς μας.
Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες σχετικές με μπαταρίες μέσω πολλών χρηματιστών, και μπορείτε να βρείτε εδώ, στο securities.io, τις προτάσεις μας για τους καλύτερους χρηματιστές στις the USA, τον Canada, την Australia, το the UK, καθώς και σε πολλές άλλες χώρες.
Αν δεν ενδιαφέρεστε να επιλέξετε συγκεκριμένες εταιρείες μπαταριών, μπορείτε επίσης να εξετάσετε τα ETF μπαταριών όπως το Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), το Lithium & Battery Tech ETF (LIT) της Global X, ή το WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), τα οποία θα προσφέρουν μια πιο διαφοροποιημένη έκθεση για να εκμεταλλευτείτε την αυξανόμενη βιομηχανία μπαταριών.
Προηγμένες Εταιρείες Μπαταριών
1. CATL (300750.SZ)
Έχουμε ήδη μιλήσει για την τεχνολογική προβάδισμα της CATL. Η εταιρεία είναι ο παγκόσμιος ηγέτης στην κατασκευή μπαταριών, παράγοντας περισσότερο από το ήμισυ του παγκόσμιου όγκου μπαταριών. Είναι παρούσα σε κάθε στάδιο της εφοδιαστικής αλυσίδας κατασκευής μπαταριών και είναι ηγέτης στην τεχνολογία μπαταριών.
Αυτό ισχύει για τις μπαταρίες λιθίου-ιόντων, όπου η εταιρεία είναι μακροχρόνιος ηγέτης. Τώρα φαίνεται μικρή σε σύγκριση με την τελευταία ανακοίνωση.
Η CATL έχει επίσης ανακοινώσει στο παρελθόν εντυπωσιακή πρόοδο σε πολλούς άλλους τύπους μπαταριών:
- Μπαταρία 12.000 κύκλων υπερ-μακράς διάρκειας για αποθήκευση ενέργειας κλίμακας υποδομής, με στόχο 18.000 κύκλους μακροπρόθεσμα.
- Μπαταρία LFP (Λιθίου-Σιδήρου-Φωσφορικού) 700 km που φορτίζει 400 km εμβέλειας σε 10 λεπτά, τώρα φαίνεται μικρή σε σύγκριση με την τελευταία ανακοίνωση.
- 500 Wh/kg, που ενδέχεται να επιτρέψει την ηλεκτροποίηση επιβατικών αεροσκαφών.
- Μαζική παραγωγή μπαταριών νάτριο-ιόντων 160 Wh/kg, με στόχο τα 200 Wh/kg.
Πηγή: CATL
Πηγή: CATL
Η CATL έχει επίσης επενδύσει 3,25 δισεκατομμύρια σε δυνατότητες ανακύκλωσης μπαταριών στην Κίνα. Η CATL έχει σημειώσει αξιοσημείωτο ποσοστό ανάκτησης 99,6% για νικέλιο, κοβάλτιο, μαγγάνιο και 91% για λίθιο.
Χάρη στην κλίμακα, την εστίαση και τα επιτεύγματα Έρευνας & Ανάπτυξης, η CATL είναι πιθανό να βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της καινοτομίας, της κατασκευής και της ανακύκλωσης μπαταριών.
Αυτό την καθιστά βασικό συνεργάτη για τους κατασκευαστές EV, συμπεριλαμβανομένων των Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis κ.λπ., με τη Hyundai να προστίθεται πρόσφατα στο αυξανόμενο κοπάδι στρατηγικών συμμαχιών της CATL.
Επιπλέον, τα μαθήματα που αντλήθηκαν από μια χημεία μπορούν να εφαρμοστούν σε άλλη, έτσι ενδέχεται σύντομα να δούμε μπαταρίες νάτριο-ιόντων με κυψέλη ή συμπυκνωμένη κατάσταση, για παράδειγμα. Οι οικονομίες κλίμακας στην παραγωγή του μισού των παγκόσμιων μπαταριών είναι επίσης πιθανό να ισχύουν για ολόκληρη την εταιρεία, ανεξάρτητα από την τεχνολογία που χρησιμοποιείται σε ένα συγκεκριμένο προϊόν.
2. BYD (BYDDY)
Ένας μακροχρόνιος ανταγωνιστής της Tesla στην αγορά EV, η BYD έχει γίνει σοβαρός ανταγωνιστής όχι μόνο για την Tesla αλλά και για σχεδόν όλους τους κατασκευαστές αυτοκινήτων.
Η εταιρεία εξελίχθηκε από την αρχική της λειτουργία ως προμηθευτής μπαταριών λιθίου-ιόντων για τηλέφωνα, σε πώληση σχεδόν ίσου αριθμού EV με την Tesla στην Κίνα (τη μεγαλύτερη αγορά EV παγκοσμίως) και είναι το πιο πωλούμενο EV στην Ταϊλάνδη, τη Σουηδία, την Αυστραλία, τη Νέα Ζηλανδία, τη Σιγκαπούρη, το Ισραήλ και τη Βραζιλία.
Η BYD είναι μεγάλος λόγος για τον ξαφνικό μετασχηματισμό της Κίνας σε μεγαλύτερο εξαγωγέα αυτοκινήτων παγκοσμίως το 2023, ξεπερνώντας την Ιαπωνία. Η επιθετική εξωτερική επέκταση της εταιρείας υποστηρίζεται επίσης από νέα εργοστάσια, όπως στη Ουγγαρία.
Και με την κυκλοφορία αυτοκινήτων $10.000-$12.000 όπως το Seagul, που χρησιμοποιούν μπαταρίες νάτριο, μπορεί να ανοίξει μια εντελώς νέα αγορά για τα EV της BYD.
Παρόλο που παραμένει κατασκευαστής μπαταριών στην ουσία της, η BYD είναι σοβαρός ανταγωνιστής της CATL στην αγορά μπαταριών LFP (λιθίου-σιδήρου-φωσφορικού), με μερίδιο αγοράς 41,1% στην Κίνα (σε σύγκριση με το 33,9% της CATL).
Η «πλημμύρα» των φθηνών EV που παράγει η BYD στις ευρωπαϊκές και αμερικανικές αγορές ενδέχεται να αντιμετωπιστεί με κάποιο επίπεδο προστατευτισμού (ακόμη και πάνω από τους πρόσφατα επιβληθέντες δασμούς), το οποίο θα μπορούσε να εμποδίσει την ανάπτυξη της BYD.
Αλλά ταυτόχρονα, τα φθηνά κινεζικά EV είναι ήδη μεγάλη επιτυχία στο υπόλοιπο του κόσμου, το οποίο δεν διαθέτει πολλούς εγχώριους κατασκευαστές αυτοκινήτων για να προστατεύσει, συμπεριλαμβανομένης ολόκληρης της Νότιας Αμερικής, της Ρωσίας, της Αφρικής, της Μέσης Ανατολής και της Νοτιοανατολικής Ασίας.
Αυτό αντιπροσωπεύει αρκετά δισεκατομμύρια δυνητικούς πελάτες για τη BYD, που ζουν σε χώρες που επιδιώκουν γεωπολιτική ισορροπία και καλές σχέσεις τόσο με τη Δύση όσο και με την Κίνα, οπότε είναι απίθανο να δημιουργηθούν πολύ ισχυρά προστατευτικά εμπόδια.
Και ακόμη στην ΕΕ ή στις ΗΠΑ, η BYD μπορεί να παραμείνει ανταγωνιστική, χάρη στις πολύ υψηλότερες τιμές των τοπικών κατασκευαστών EV σε σύγκριση με τις τιμές στην Κίνα, καθώς και στην τοπικοποίηση της παραγωγής εκτός Κίνας για αυτές τις αγορές, όπως, για παράδειγμα, στην Ανατολική Ευρώπη, το Μεξικό ή την Τουρκία.
