În timp ce cererea de calculatoare mobile și de mașini complet electrice crește, limitările tehnologiei actuale a bateriilor reprezintă un obstacol. Inventată în anii 1790 de către fizicianul italian Alessandro Volta, bateria electrică a fost calul de bătaie a numeroase gadgeturi, dispozitive și mașini.
Pe măsură ce dispozitivele de consum au devenit mai mici și utilizarea lor neîntreruptă înainte de reîncărcare mai importantă, a devenit, de asemenea, din ce în ce mai important ca bateriile să devină atât miniaturizate, cât și mai eficiente din punct de vedere energetic. Cu toate acestea, acest lucru s-a dovedit a fi un obstacol tehnologic care, dacă va fi depășit, va reprezenta o dezvoltare importantă și profitabilă pentru economia high-tech de mâine.
Tehnologia bateriilor
Toate bateriile electrice se bazează pe reacția chimică fundamentală de reducere și oxidare (redox) care poate avea loc între două materiale diferite. Aceste reacții sunt adăpostite într-un recipient închis și sigilat. Catodul, sau terminalul pozitiv, este redus de anod, sau terminalul negativ, unde are loc oxidarea. Catodul și anodul sunt separate fizic de un electrolit care permite electronilor să treacă cu ușurință de la un terminal la celălalt. Acest flux de electroni determină un potențial electric, care permite apariția unui curent electric atunci când un circuit este completat.
Baterii de consum de unică folosință (cunoscuți sub numele de baterii primare), cum ar fi celulele de dimensiuni AA și AAA produse de companii precum Energizer (ENR), se bazează pe o tehnologie care nu este propice pentru aplicațiile moderne. În primul rând, acestea nu sunt reîncărcabile. Aceste așa-numite baterii alcaline utilizează un catod de dioxid de mangan și un anod de zinc, separate de un electrolit de dioxid de potasiu diluat. Electrolitul oxidează zincul din anod, în timp ce dioxidul de mangan din catod reacționează cu ionii de zinc oxidați pentru a crea electricitate. Treptat, subprodusele de reacție se acumulează în electrolit, iar cantitatea de zinc rămasă pentru a fi oxidată se diminuează. În cele din urmă, bateria moare. Aceste baterii furnizează de obicei 1,5 volți de electricitate și pot fi aranjate în serie pentru a crește această cantitate. De exemplu, două baterii AA în serie furnizează trei volți de electricitate.
Pilele reîncărcabile (cunoscute sub numele de baterii secundare) funcționează cam în același mod, utilizând o reacție de oxidare-reducere între două materiale, dar ele permit, de asemenea, ca reacția să curgă în sens invers. Cele mai frecvent utilizate baterii reîncărcabile de pe piață în prezent sunt cele litiu-ion (LiOn), deși în căutarea unei baterii reîncărcabile funcționale au fost încercate și diverse alte tehnologii, inclusiv nichel-hidrură metalică (NiMH) și nichel-cadmiu (NiCd).
NiCd au fost primele baterii reîncărcabile disponibile în comerț pentru utilizarea pe piața de masă, dar au suferit din cauza faptului că erau capabile doar de un număr limitat de reîncărcări. NiMH a înlocuit bateriile NiCd și au putut fi încărcate mai frecvent. Din nefericire, acestea aveau un termen de valabilitate foarte scurt, astfel încât, dacă nu erau utilizate la scurt timp după ce erau produse, puteau fi ineficiente. Bateriile LiOn au rezolvat aceste probleme, venind într-un recipient de mici dimensiuni, având o durată de depozitare lungă și permițând numeroase încărcări. Cu toate acestea, bateriile LiOn nu sunt cele mai frecvent utilizate în aparatele electronice de consum, cum ar fi dispozitivele mobile și calculatoarele portabile. Aceste baterii sunt mult mai scumpe decât bateriile alcaline de unică folosință și, de obicei, nu vin în mărimile tradiționale AA, AAA, C, D etc.
Ultimul tip de baterii reîncărcabile cu care majoritatea oamenilor sunt familiarizați sunt bateriile cu plumb-acid lichid, cel mai des folosite ca baterii auto. Aceste baterii pot furniza multă energie (ca la pornirea la rece a unei mașini), dar conțin materiale periculoase, inclusiv plumb și acid sulfuric, care este folosit ca electrolit. Aceste tipuri de baterii trebuie eliminate cu grijă pentru a nu polua mediul înconjurător sau pentru a nu provoca vătămări fizice celor care le manipulează.
Obiectivul tehnologiei actuale a bateriilor este de a crea o baterie care să egaleze sau să îmbunătățească performanțele bateriilor LiOn, dar fără costurile mari asociate cu producția acestora. În cadrul familiei litiu-ion, eforturile s-au concentrat pe adăugarea de ingrediente suplimentare pentru a crește eficiența bateriei, reducând în același timp prețul. De exemplu, aranjamentele litiu-cobalt (LiCoO2) se găsesc în prezent în multe telefoane mobile, laptopuri, aparate foto digitale și produse purtabile. Celulele de litiu-mangan (LiMn2O4) sunt utilizate cel mai frecvent pentru uneltele electrice, instrumentele medicale și sistemele de propulsie electrică, cum ar fi cele care se găsesc în vehiculele electrice.
În prezent, există echipe care desfășoară activități de cercetare și dezvoltare pentru a spori performanța bateriilor pe bază de litiu. Bateriile litiu-aer (Li-Aer) reprezintă o nouă dezvoltare interesantă care ar putea permite o capacitate de stocare a energiei mult mai mare – o capacitate de până la 10 ori mai mare decât o baterie LiOn tipică. Aceste baterii ar „respira” literalmente aer prin utilizarea oxigenului liber pentru a oxida anodul. Deși această tehnologie pare promițătoare, există o serie de probleme tehnologice, inclusiv acumularea rapidă de produse secundare care scad performanța și problema „morții subite”, în care bateria încetează să mai funcționeze fără avertisment.
Baterii litiu-metal reprezintă, de asemenea, o dezvoltare impresionantă, promițând o eficiență energetică de aproape patru ori mai mare decât tehnologia actuală a bateriilor pentru automobile electrice. De asemenea, acest tip de baterii este mult mai puțin costisitor de produs, ceea ce va duce la scăderea costului produselor care le utilizează. Cu toate acestea, problemele de siguranță reprezintă o preocupare majoră, deoarece aceste baterii se pot supraîncălzi, pot provoca incendii sau pot exploda dacă sunt deteriorate. Alte tehnologii noi la care se lucrează includ litiu-sulfură și siliciu-carbon, dar aceste celule se află încă în fazele incipiente de cercetare și nu sunt încă viabile din punct de vedere comercial. Există, de asemenea, mai multe dezvoltări care au loc în jurul bateriilor alimentate cu energie solară.
Investiții în tehnologia bateriilor
Dacă și când tehnologia bateriilor va lua avânt în aceste noi direcții interesante, aceasta va reduce costul de producție pentru electronicele de consum și pentru vehiculele electrice, cum ar fi cele produse de Tesla Motors (TSLA). Tesla a anunțat recent construcția unei „gigafabrici” pentru a produce nu numai mai multe vehicule, ci și pentru a produce în casă propriile baterii LiOn, în colaborare cu gigantul japonez al electronicii Panasonic (ADR:PCRFY). Luând în propriile mâini problema producției de baterii, Tesla ar putea să fi găsit o modalitate excelentă de a obține o expunere investițională atât la mașinile electrice, cât și la tehnologia bateriilor.
Piața tehnologiei bateriilor este oarecum mioapă, cu noi tehnologii, dezvoltări și parteneriate care catapultează industria înainte. Raportul Visiongain „Top 20 Lithium-Ion Battery Manufacturing Companies Report 2018”, realizat de Visiongain, oferă numeroase informații despre piața tehnologiei bateriilor și despre principalii săi producători. Companiile din raport includ următoarele:
- 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
Alte nume notabile din industria bateriilor includ următoarele:
- Arotech Corp (ARTX) dezvoltă și distribuie baterii de litiu și zinc-aer și numără printre clienții săi armata americană.
- PolyPore Inc. (PPO) produce baterii litiu-polimer foarte specializate, în principal pentru utilizări industriale și medicale.
- Ener1 (OTCMKTS:HEVVQ) este o companie de energie alternativă care are un joint-venture deținut majoritar cu Delphi Automotive (DLPH) pentru a crea soluții de baterii pentru vehicule electrice.
- Haydale Graphene Industries PLC (LON:HAYD) este o companie britanică care valorifică nanotehnologia și materialul grafen pentru a produce, printre altele, baterii pe bază de grafen.
- Applied Graphene Materials (OTCMKTS:APGMF) efectuează, de asemenea, cercetări pentru aplicații pe bază de grafene.
- EnerSys este o companie pur-play pe baterii. În prezent, este cel mai mare producător de baterii industriale la nivel mondial.
Există, de asemenea, Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT). acest ETF urmărește să urmărească indicele Solactive Global Lithium Index și oferă expunere la un portofoliu diversificat de companii cotate la bursă care se concentrează în principal pe litiu, inclusiv pe mineritul de litiu, rafinarea litiului și utilizarea litiului în producția de baterii. Cele mai importante deținerile din ETF LIT în octombrie 2018 includeau următoarele:
- 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
Baterii pentru energie au fost întotdeauna importante în epoca modernă. Cu toate acestea, odată cu apariția calculatoarelor mobile și a mașinilor electrice, importanța lor va continua să crească. În momentul de față, de exemplu, bateriile de alimentare reprezintă mai mult de jumătate din costul unui automobil Tesla.
Din cauza importanței lor crescânde, cercetarea unor baterii reîncărcabile mai noi și mai bune capătă amploare. Bateriile litiu-aer și litiu-metal se pot dovedi a fi avansul care contează. Dacă aceste tehnologii ajung să dea roade, investiția în companii mari implicate în producția de baterii, în producători pur-play de litiu-ion sau expunerea indirectă prin intermediul producătorilor de litiu-metal poate contribui la consolidarea performanțelor viitoare ale unui portofoliu.