Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na komputery przenośne i samochody w pełni elektryczne, ograniczenia obecnej technologii akumulatorów stanowią przeszkodę. Wynaleziona w latach 90. XVII wieku przez włoskiego fizyka Alessandro Voltę, bateria elektryczna jest podstawą wielu gadżetów, urządzeń i maszyn.
Ponieważ urządzenia konsumenckie stają się coraz mniejsze, a ich nieprzerwane użytkowanie przed ładowaniem coraz ważniejsze, coraz ważniejsze staje się, aby baterie były zarówno zminiaturyzowane, jak i bardziej wydajne energetycznie. To jednak okazało się technologiczną przeszkodą, która, jeśli zostanie pokonana, będzie ważnym i zyskownym osiągnięciem dla jutrzejszej gospodarki high-tech.
Technologia akumulatorów
Wszystkie akumulatory elektryczne opierają się na podstawowej reakcji chemicznej redukcji i utleniania (redoks), która może zachodzić pomiędzy dwoma różnymi materiałami. Reakcje te zachodzą w zamkniętym i szczelnym pojemniku. Katoda, czyli zacisk dodatni, jest redukowana przez anodę, czyli zacisk ujemny, gdzie następuje utlenianie. Katoda i anoda są fizycznie oddzielone elektrolitem, który umożliwia łatwy przepływ elektronów z jednego terminala do drugiego. Ten przepływ elektronów powoduje powstanie potencjału elektrycznego, który pozwala na powstanie prądu elektrycznego, gdy obwód jest zakończony.
Baterie konsumenckie jednorazowego użytku (znane jako baterie podstawowe), takie jak ogniwa o rozmiarze AA- i AAA produkowane przez firmy takie jak Energizer (ENR), opierają się na technologii, która nie sprzyja nowoczesnym zastosowaniom. Po pierwsze, nie można ich ponownie naładować. Te tak zwane baterie alkaliczne wykorzystują katodę z dwutlenku manganu i anodę z cynku, oddzielone od siebie rozcieńczonym elektrolitem z dwutlenku potasu. Elektrolit utlenia cynk w anodzie, podczas gdy dwutlenek manganu w katodzie reaguje z utlenionymi jonami cynku, wytwarzając energię elektryczną. Stopniowo, produkty uboczne reakcji gromadzą się w elektrolicie, a ilość cynku pozostająca do utlenienia zmniejsza się. W końcu bateria umiera. Baterie te dostarczają zazwyczaj 1,5 V energii elektrycznej i mogą być ułożone w sposób szeregowy, aby zwiększyć tę ilość. Na przykład dwie baterie AA połączone szeregowo zapewniają trzy wolty energii elektrycznej.
Baterie wielokrotnego ładowania (znane jako baterie wtórne) działają w bardzo podobny sposób, wykorzystując reakcję utleniania redukcji pomiędzy dwoma materiałami, ale pozwalają również na przepływ reakcji w odwrotnym kierunku. Najczęściej używane obecnie na rynku akumulatory to akumulatory litowo-jonowe (LiOn), chociaż w poszukiwaniu skutecznych akumulatorów próbowano również zastosować różne inne technologie, w tym wodorek niklu (NiMH) i nikiel-kadm (NiCd).
NiCd były pierwszymi komercyjnie dostępnymi akumulatorami do masowego użytku, ale cierpiały z powodu ograniczonej liczby ładowań. NiMH zastąpiły akumulatory NiCd i mogły być ładowane częściej. Niestety, miały one bardzo krótki okres przydatności do użycia, więc jeśli nie zostały użyte wkrótce po wyprodukowaniu, mogły okazać się nieskuteczne. Akumulatory LiOn rozwiązały te problemy, ponieważ mieściły się w niewielkim pojemniku, miały długi okres przydatności i pozwalały na wielokrotne ładowanie. Jednak baterie LiOn nie są najczęściej stosowane w elektronice użytkowej, takiej jak urządzenia mobilne i laptopy. Baterie te są o wiele droższe niż jednorazowe baterie alkaliczne i nie występują w tradycyjnych rozmiarach AA, AAA, C, D itp.
Ostatni typ baterii wielokrotnego ładowania, z którym większość ludzi jest zaznajomiona, to ciekłe akumulatory kwasowo-ołowiowe, najczęściej używane jako akumulatory samochodowe. Akumulatory te mogą dostarczyć dużo energii (np. podczas rozruchu samochodu na zimno), ale zawierają niebezpieczne materiały, w tym ołów i kwas siarkowy, który jest używany jako elektrolit. Tego rodzaju akumulatory muszą być utylizowane z zachowaniem ostrożności, aby nie zanieczyszczać środowiska i nie powodować obrażeń fizycznych u osób, które się nimi zajmują.
Celem obecnej technologii akumulatorów jest stworzenie akumulatora, który dorówna lub poprawi wydajność akumulatorów LiOn, ale bez wysokich kosztów związanych z ich produkcją. W ramach rodziny akumulatorów litowo-jonowych, wysiłki skupiają się na dodaniu dodatkowych składników w celu zwiększenia efektywności akumulatora przy jednoczesnym obniżeniu jego ceny. Na przykład, układy litowo-kobaltowe (LiCoO2) znajdują się obecnie w wielu telefonach komórkowych, laptopach, aparatach cyfrowych i produktach noszonych na ciele. Ogniwa litowo-manganowe (LiMn2O4) są najczęściej stosowane w elektronarzędziach, instrumentach medycznych i elektrycznych układach napędowych, takich jak te znajdujące się w pojazdach elektrycznych.
Obecnie istnieją zespoły prowadzące badania i rozwój w celu zwiększenia wydajności akumulatorów litowych. Akumulatory litowo-powietrzne (Li-Air) to ekscytująca nowość, która może pozwolić na znacznie większe możliwości magazynowania energii – do 10 razy większe niż w przypadku typowych akumulatorów LiOn. Akumulatory te dosłownie „oddychałyby” powietrzem, wykorzystując wolny tlen do utleniania anody. Chociaż technologia ta wydaje się obiecująca, istnieje szereg problemów technologicznych, w tym szybkie gromadzenie się produktów ubocznych obniżających wydajność oraz problem „nagłej śmierci”, w której akumulator przestaje działać bez ostrzeżenia.
Akumulatory litowo-metalowe są również imponującym osiągnięciem, obiecując prawie czterokrotnie większą wydajność energetyczną niż obecna technologia akumulatorów do samochodów elektrycznych. Ten typ baterii jest również znacznie tańszy w produkcji, co obniży koszt produktów, które je wykorzystują. Kwestie bezpieczeństwa są jednak poważnym problemem, ponieważ akumulatory te mogą się przegrzewać, powodować pożar lub eksplodować w przypadku uszkodzenia. Inne nowe technologie, nad którymi trwają prace, to litowo-siarkowa i krzemowo-węglowa, ale te ogniwa są nadal we wczesnych fazach badań i nie są jeszcze opłacalne komercyjnie. Istnieje również kilka postępów wokół baterii zasilanych energią słoneczną.
Inwestowanie w technologię baterii
Jeśli i kiedy technologia baterii wystartuje w tych ekscytujących nowych kierunkach, obniży to koszty produkcji elektroniki użytkowej i pojazdów elektrycznych, takich jak te produkowane przez Tesla Motors (TSLA). Tesla niedawno ogłosiła budowę „gigafabryki”, aby nie tylko produkować więcej pojazdów, ale także wytwarzać własne baterie LiOn we własnym zakresie, we współpracy z japońskim gigantem elektronicznym Panasonic (ADR:PCRFY). Biorąc problem produkcji baterii we własne ręce, Tesla mogła znaleźć świetny sposób na zdobycie ekspozycji inwestycyjnej zarówno na samochody elektryczne, jak i technologię produkcji baterii.
Rynek technologii baterii jest nieco krótkowzroczny dzięki nowym technologiom, rozwojowi i partnerstwom katapultującym przemysł do przodu. Raport Visiongain „Top 20 Lithium-Ion Battery Manufacturing Companies Report 2018” dostarcza wielu informacji na temat rynku technologii akumulatorowych i jego głównych producentów. Firmy uwzględnione w raporcie to między innymi:
- A123 Systems Inc.
- Automotive Energy Supply Corporation (AESC)
- Aviation Industry Corporation of China (AVIC)
- BYD Company Ltd.
- CBAK Energy Technology Inc.
- Comtemporary Amperex Technology Ltd (CATL)
- GS Yuasa Corporation
- Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co, Ltd
- Hitachi Chemical Co., Ltd.
- Johnson Controls International Plc.
- LG Chem
- Microvast Inc.
- Panasonic Corporation
- Saft Batteries
- Samsung SDI Co. Ltd.
- TDK Corporation/Amperes Technology Ltd (ATL)
- Tesla Inc.
- Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co, Ltd.
- Tianneng Power International Ltd
- Toshiba Corporation
Inne godne uwagi nazwy w branży baterii obejmują następujące firmy:
- Arotech Corp (ARTX) opracowuje i dystrybuuje baterie litowe i cynkowo-powietrzne oraz zalicza wojsko amerykańskie do swoich klientów.
- PolyPore Inc. (PPO) produkuje wysoko wyspecjalizowane baterie litowo-polimerowe głównie do zastosowań przemysłowych i medycznych.
- Ener1 (OTCMKTS:HEVVQ) jest firmą zajmującą się energią alternatywną, która posiada większościowe udziały w spółce joint venture z Delphi Automotive (DLPH) w celu tworzenia rozwiązań bateryjnych dla pojazdów elektrycznych.
- Haydale Graphene Industries PLC (LON:HAYD) jest brytyjską firmą wykorzystującą nanotechnologię i grafen do produkcji, między innymi, baterii opartych na grafenie.
- Applied Graphene Materials (OTCMKTS:APGMF) również prowadzi badania nad zastosowaniami opartymi na grafenie.
- EnerSys jest spółką typu pure-play na bateriach. Jest to obecnie największy producent baterii przemysłowych na świecie.
Istnieje również Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT). ten ETF stara się śledzić Solactive Global Lithium Index i zapewnia ekspozycję na zdywersyfikowany portfel publicznie notowanych spółek, które koncentrują się przede wszystkim na litie, w tym na wydobyciu litu, rafinacji litu i wykorzystaniu litu w produkcji baterii. Top holdings w LIT ETF w październiku 2018 r. obejmowały następujące pozycje:
- 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%
The Bottom Line
Baterie do zasilania zawsze były ważne w erze nowożytnej. Jednak wraz z nadejściem komputerów przenośnych i samochodów elektrycznych, ich znaczenie będzie tylko nadal rosnąć. Już teraz, na przykład, zestawy baterii stanowią ponad połowę kosztów samochodu Tesla.
Ze względu na ich rosnące znaczenie, badania nad nowszymi i lepszymi bateriami wielokrotnego ładowania nabierają tempa. Akumulatory litowo-powietrzne i litowo-metalowe mogą okazać się postępem, który będzie miał znaczenie. Jeśli te technologie okażą się opłacalne, inwestowanie w duże firmy zajmujące się produkcją akumulatorów, w producentów akumulatorów litowo-jonowych lub pośrednie zaangażowanie poprzez producentów metali litowych może pomóc w zwiększeniu przyszłych wyników portfela.