Поскольку спрос на мобильные компьютеры и полностью электрические машины увеличивается, ограничения современной аккумуляторной технологии представляют собой препятствие. Изобретенная в 1790-х годах итальянским физиком Алессандро Вольта, электрическая батарея стала рабочей лошадкой многочисленных гаджетов, устройств и машин.
Поскольку потребительские устройства становятся меньше, и их бесперебойное использование до подзарядки становится все более важным, для батарей становится все более важным, чтобы миниатюризировать их и повысить их энергоэффективность. Это, однако, оказалось технологическим препятствием, которое, если оно превзойдет, станет важным и прибыльным событием для экономики высоких технологий завтрашнего дня.
Технология батареи
Все электрические батареи основаны на фундаментальной химической реакции восстановления и окисления (окислительно-восстановительной способности), которая может происходить между двумя различными материалами. Эти реакции хранятся в закрытом и запечатанном контейнере. Катод, или положительный конец, уменьшается анодом или отрицательным концом, где происходит окисление. Катод и анод физически разделены электролитом, который позволяет электронам легко перетекать из одного терминала в другой. Этот поток электронов вызывает электрический потенциал, который учитывает электрический ток, когда цепь завершена.
Одноразовые потребительские батареи (известные как первичные батареи), такие как элементы размера AA и AAA, производимые такими компаниями, как Energizer (ENR), используют технологию, которая не способствует современным применениям. Во-первых, они не перезаряжаемые. Эти так называемые щелочные батареи используют катод из диоксида марганца и цинковый анод, разделенные разбавленным электролитом из диоксида калия. Электролит окисляет цинк в аноде, в то время как диоксид марганца в катоде реагирует с окисленными ионами цинка с образованием электричества. Постепенно побочные продукты реакции накапливаются в электролите, и количество цинка, оставшегося для окисления, уменьшается. В конце концов батарея умирает. Эти батареи обычно обеспечивают 1, 5 вольт электричества и могут быть расположены последовательно для увеличения этого количества. Например, две батарейки АА последовательно обеспечивают три вольта электричества.
Перезаряжаемые батареи (известные как вторичные батареи) работают во многом таким же образом, используя реакцию восстановления окисления между двумя материалами, но они также позволяют реакции протекать в обратном направлении. В настоящее время на рынке наиболее часто используются перезаряжаемые аккумуляторы - литий-ионные (LiOn), хотя при поиске работоспособных перезаряжаемых аккумуляторов также использовались различные другие технологии, включая никель-металлогидридные (NiMH) и никель-кадмиевые (NiCd).
NiCd были первыми коммерчески доступными перезаряжаемыми батареями для массового использования, но они были подвержены ограниченному числу перезарядок. NiMH заменил никель-кадмиевые батареи и мог заряжаться чаще. К сожалению, у них был очень короткий срок годности, поэтому, если они не использовались вскоре после производства, они могли быть неэффективными. Батареи LiOn решили эти проблемы, поместив их в небольшой контейнер с длительным сроком годности и большим количеством зарядов. Но батареи LiOn не так часто используются в бытовой электронике, такой как мобильные устройства и ноутбуки. Эти батареи намного дороже одноразовых щелочных батарей и обычно не бывают традиционных размеров AA, AAA, C, D и т. Д.
Последний тип аккумуляторных батарей, с которыми большинство людей знакомо, - это жидкие свинцово-кислотные аккумуляторы, чаще всего используемые в качестве автомобильных аккумуляторов. Эти аккумуляторы могут обеспечивать большую мощность (как при холодном запуске автомобиля), но содержат опасные материалы, в том числе свинец и серную кислоту, которая используется в качестве электролита. Аккумуляторы такого типа следует утилизировать с осторожностью, чтобы не загрязнять окружающую среду и не причинять физический вред тем, кто обращается с ними.
Целью современной аккумуляторной технологии является создание батареи, которая может соответствовать или улучшать производительность батарей LiOn, но без больших затрат, связанных с их производством. В литий-ионном семействе усилия были сосредоточены на добавлении дополнительных ингредиентов для повышения эффективности батареи при одновременном снижении цены. Например, устройства литий-кобальт (LiCoO2) в настоящее время встречаются во многих мобильных телефонах, ноутбуках, цифровых камерах и носимых продуктах. Литий-марганцевые (LiMn2O4) элементы чаще всего используются для электроинструментов, медицинских инструментов и электрических силовых агрегатов, например, в электромобилях. (Подробнее см.: Почему автомобили Tesla такие дорогие? )
В настоящее время есть команды, проводящие исследования и разработки для повышения производительности литиевых батарей. Литий-воздушные (Li-Air) аккумуляторы - это захватывающая новая разработка, которая может обеспечить гораздо большую емкость накопления энергии - в 10 раз больше емкости, чем обычная батарея LiOn. Эти батареи буквально «дышат» воздухом, используя свободный кислород для окисления анода. Хотя эта технология кажется многообещающей, существует ряд технологических проблем, в том числе быстрое накопление побочных продуктов, снижающих производительность, и проблема «внезапной смерти», при которой батарея перестает работать без предупреждения.
Литий-металлические батареи также являются впечатляющей разработкой, обещая почти в четыре раза большую энергоэффективность, чем нынешняя технология аккумуляторов для электромобилей. Этот тип батареи также намного дешевле в производстве, что снизит стоимость продуктов, которые их используют. Проблемы безопасности, однако, являются серьезной проблемой, так как эти батареи могут перегреться, вызвать пожар или взорваться при повреждении. Другие новые технологии, над которыми работают, включают литий-серу и кремний-углерод, но эти элементы все еще находятся на ранних стадиях исследований и пока не являются коммерчески жизнеспособными. Есть также несколько событий, происходящих вокруг солнечных батарей.
Инвестирование в аккумуляторные технологии
Если и когда технология батарей начнет развиваться в этих новых захватывающих направлениях, это снизит стоимость производства бытовой электроники и электромобилей, таких как Tesla Motors (TSLA). Недавно Tesla объявила о строительстве «гигафабрики», которая будет не только производить больше автомобилей, но и производить собственные литиевые батареи в доме совместно с японским гигантом электроники Panasonic (ADR: PCRFY). Взяв проблему производства аккумуляторов в свои руки, Тесла, возможно, нашел отличный способ привлечь инвестиции как в электромобили, так и в технологии аккумуляторов.
Рынок аккумуляторных технологий несколько близоруок с новыми технологиями, разработками и партнерскими отношениями, которые катапультируют индустрию. «Отчет 20 крупнейших компаний-производителей литий-ионных аккумуляторов за 2018 год» от Visiongain дает глубокое представление о рынке аккумуляторных технологий и его ведущих производителях. Компании в отчете включают следующее:
- A123 Systems Inc. Корпорация автомобильной энергетики (AESC) Китайская авиационная промышленная корпорация (AVIC) BYD Company Ltd. CBAK Energy Technology Inc. Современная компания Amperex Technology (CATL) GS Yuasa Corporation Хэфэй Гохуань Высокотехнологичная энергетическая компания Ко, ООО Hitachi Химическая Лтд Johnson Controls International Plc. LG Chem Microvast Inc. Panasonic Corporation Сафтовые аккумуляторы Samsung SDI Co. Ltd. TDK Corporation / Amperes Technology Ltd (ATL) Tesla Inc. Акционерное общество "Аккумуляторная батарея Тяньцзинь Лишен", ООО Tianneng Power International Ltd Корпорация Toshiba
Другие известные имена в индустрии аккумуляторов включают следующее:
- Arotech Corp (ARTX) разрабатывает и распространяет литиевые и цинко-воздушные батареи и учитывает военную мощь США среди своих клиентов. PolyPore Inc. (PPO) производит узкоспециализированные литий-полимерные батареи в основном для промышленного и медицинского использования. Ener1 (OTCMKTS: HEVVQ) является компания по альтернативной энергетике, имеющая совместное предприятие с Delphi Automotive (DLPH), владеющее контрольным пакетом батарей для создания аккумуляторных решений для электромобилей. Haydale Graphene Industries PLC (LON: HAYD) - британская компания, использующая нанотехнологии и графен для производства материала, помимо прочего. Аккумуляторы на основе графена. Applied Graphene Materials (OTCMKTS: APGMF) также проводит исследования для приложений на основе графена. EnerSys - это чистая игра на батарейках. В настоящее время это крупнейший производитель промышленных аккумуляторов в мире.
Существует также Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT). Этот ETF стремится отслеживать Solactive Global Lithium Index и предоставляет доступ к диверсифицированному портфелю публичных компаний, которые в основном занимаются литием, включая добычу лития, рафинирование лития и использование лития в производстве аккумуляторов. Топ-листы в ЛИТ ЕФО на октябрь 2018 года включали в себя следующее:
- FMC CORP 18, 06% ALBEMARLE CORP 17, 64% SAMSUNG SDI CO LTD 7, 40% ENERSYS 6, 91% QUIMICA Y MINERA CHIL-SP 6, 62% LG CHEM LTD 5, 41% GS YUASA CORP 4, 95% PANASONIC CORP 4, 60% TESLA INC 4, 37% SIMPLO TECHNOLOGY CO LTD 4, 24%
Суть
Батареи для питания всегда были важны в современную эпоху. Однако с появлением мобильных компьютеров и электромобилей их значение будет только расти. Например, сейчас аккумуляторные блоки питания составляют более половины стоимости автомобиля Tesla.
Из-за их возрастающей важности исследования новых и лучших аккумуляторных батарей набирают обороты. Литий-воздушные и литий-металлические батареи могут оказаться важным достижением. Если эти технологии в конечном итоге окупятся, инвестиции в крупные компании, занимающиеся производством аккумуляторов, в производителей литий-ионных чистых игр или косвенное воздействие через производителей металлического лития, могут помочь улучшить будущие показатели портфеля. ( Подробнее см.: Инвестиции в следующий мегатренд: литий .)
