Styrking av verdikjeden for batterier

Batteriindustrien har opplevd massiv vekst de siste tiårene, drevet av den økende betydningen av portabilitet og fleksibilitet i hverdagen. Det moderne litium-ion (Li-ion) batteriet startet i det små, opprinnelig utviklet for bruk i forbrukerelektronikk på 1990-tallet, og brukes i mobiltelefoner, bærbare datamaskiner og mer.

Teslas medgründer Martin Eberhard tok et betydelig skritt fremover ved å sette sammen flere litiumbatterier for å drive elektriske kjøretøy (elbiler mm). Han innså at teknikkene som ble brukt til å produsere bærbare batterier kunne tilpasses for å produsere disse mye større batteriene kostnadseffektivt. Som et resultat integrerte Tesla og andre EV-produsenter den i den eksisterende batteriforsyningskjeden. Flaggskipet Tesla Roadster fra 2008 ble drevet av 6,831 Li-ion bærbare batterier, i stand til en rekkevidde på 400 km (250 mi) og en topphastighet på mer enn 200 km/h (130 mph).

Utover elbiler driver klimahensyn en overgang mot bærekraftige kraftgenereringsteknikker, inkludert vind, sol og geotermisk energi. Batterilagring er avgjørende på grunn av den intermitterende generasjonsevnen til disse energikildene. Moderne litiumbatterier brukes også i økende grad til kontinuerlig å drive mikronett, som et supplement til det tradisjonelle elektriske nettet. Dette er spesielt viktig for datasentre og andre applikasjoner med redundante strømkrav.

Litium går gjennom mange trinn og prosesser når det går fra jorden til grossist- og detaljmarkeder, inkludert gruvedrift, raffinering, batteriproduksjon og frakt. Derfor reflekterer prisen på litiumbatterier alle mellomliggende trinn. Større litiumbatterier kan være ganske dyre. For eksempel koster en ny Tesla Model S-batteripakke mellom USD 8 000 og USD 10 000.

Batteriets verdikjede består av fire hovedtrinn:

1. Oppstrøms: Gruvearbeidere utvinner litium, kobolt, mangan, fosfater, nikkel og grafitt for bruk i produksjon av Li-ion-batterier.
2. Midstream: Prosessorer og raffinører produserer katode- og anodeaktive komponenter, og råvarehandlere kjøper og selger disse aktive komponentene til selskaper som setter sammen battericeller.
3. Nedstrøms: Batteriprodusenter bygger celler inn i moduler, som deretter selges til grossister eller forbrukerforhandlere
4. End-of-life: Batterigjenvinnere bryter ned brukte batterier til individuelle komponenter som gjenbrukes til å produsere nye batterier, ved hjelp av en rekke metoder.

Litium finnes i kommersielle mengder hovedsakelig i Australia, Argentina, Bolivia og Chile. I Australia brukes åpne groper av spodumene til å behandle det meste av litiummalmen. Greenbushes-gruven i Vest-Australia er verdens største litiumgruve med hardstein, og produserer årlig litiumspodumen til en verdi av 5,6 milliarder USD.

I Nord- og Sør-Amerika er litium konsentrert fra saltlakene som finnes under gamle saltflater. Produsentene borer inn i disse saltlake akviferene og pumper deretter væske inn i tørkelagene, hvor det meste av det fordamper, og etterlater litiumsalter. Andre mineraler som brom kan også utvinnes fra konsentratene i tørkesjiktet.

Etter at råvarene er utvunnet, må de foredles til brukbare formater. I følge Bloomberg NEF , er Kina, Sør-Korea og Japan verdens beste batteriproduksjonsland. Kina dominerer for tiden den globale forsyningskjeden for Li-ion-batterier, og produserer 80 % av alle Li-ion-batterier, 70 % av katodene og 80 % av anodene. I tillegg behandler og foredler Kina mer enn halvparten av verdens litium, fosfat, kobolt og grafitt.

På andreplass, Sør-Korea og Japan, står for betydelig mindre batteriproduksjon. Sør-Korea produserer 15 % av verdens katodeelektroder og 3 % av anodeelektrodene, mens Japan står for henholdsvis 14 % og 11 %.

Prosessen med raffinering av litiummalm tilpasses prosedyrer fra sementproduksjon, inkludert sliping, kalsinering, fresing og sulfatering. Utvasking og filtrering brukes til å fjerne andre mineraler, som alumina, mangan og kalsium. Denne prosessen fortsetter til litiumkarbonat av batterikvalitet er oppnådd.

Batteriproduksjon krever montering av en hel battericelle og til slutt en sammenstilling av celler. Nøkkelkomponenter inkluderer katode, anode og elektrolytt. Li-ion katoder er primært laget av litium og anoder av karbon. Hver celle inkluderer en separator og etui for å holde batterimaterialene, som er fylt med en ledende elektrolytt.

Anoden og katoden lages ved å lage en slurry som består av aktivt materiale, ledende midler og et bindemiddel. Slurryen avsettes deretter på et film- eller foliesubstrat. Folien kuttes, trimmes og kalendres, flates mellom to trykkruller for å passe til batteriet og tørkes senere. Løsemidlet gjenvinnes for gjenbruk.

Når anoden og katoden er ferdige, installeres en separator mellom dem. Deretter er hele saken fylt med elektrolyttgel.

Blant typiske utfordringer i forsyningskjeden har batteriverdikjeden unike egenskaper, som krever kritisk tilsyn for å opprettholde sikkerhet og bærekraft. For det første må forsyningskjedene styres nøye for å sikre en konsistent tilførsel av saltlake, malm og andre nødvendige råvarer. Mens betydelig batteriproduksjon er sentrert i Kina, kommer råvarer fra hele verden, så eventuelle forsendelsesavbrudd kan skape kaos.

Videre produserer produksjonsmetoder for Li-ion-batterier fast, flytende og gassformig avfall. Dette skaper potensiale for negative miljøpåvirkninger, spesielt i regioner med slappe miljørestriksjoner.

Det er avgjørende å håndheve strenge standarder for produksjon, avhending og resirkulering av Li-ion-batterier på grunn av deres iboende risiko for brann eller eksplosjon. Forfalskede batterier fra tvilsomme kilder kan forverre disse farene.

Resirkulering av Li-ion batterier kan også være vanskelig. Selv om de anses som farlig avfall, kan produsenter oppnå betydelige energibesparelser ved å gjenbruke disse batteriene, samtidig som de eliminerer de negative miljømessige konsekvensene av avhending.

Produksjonskostnadene for Li-ion-batterier er høye på grunn av den nødvendige kvaliteten på råvarene, vekten på kvalitetskontroll, komplekse produksjonsprosedyrer og volumbehov. For eksempel kreves det 289 tonn malm, 750 tonn saltlake eller 28 tonn Li-ion battterier for å produsere ett tonn rent litium av batterikvalitet.

Forskere undersøker muligheten for natriumion-batterier for å møte disse utfordringene. Natrium er mye mer rikelig enn litium, lettere å utvinne og betydelig rimeligere. I tillegg er den mindre flyktig og mer stabil.

Strømningsbatterier, som lagrer energi i en flytende elektrolytt, er også under utredning for bruk i nettskala energilagring. Disse batteritypene består av to eller flere tanker for å holde elektrolytten, hvorved den pumpes gjennom en elektrokjemisk celle for å produsere elektrisitet.

Imidlertid har natrium-ion-celler og strømningsbatterier lavere energitetthet etter volum og vekt sammenlignet med Li-ion-batterier. De er også mindre effektive, noe som fører til mindre pålitelige sluttbruksapplikasjoner. Derfor, i overskuelig fremtid, forblir Li-ion-batterier den primære teknologien du velger.

Li-ion-batterier har revolusjonert bærbar kraft, og muliggjør transformative teknologier som smarttelefoner, elektroverktøy, elbiler og mikronett. Ettersom verden skifter mot fornybar energi og elektrisk mobilitet, vil etterspørselen etter batterier bare vokse. Imidlertid byr den komplekse og globalt sammenkoblede litiumbatteriets verdikjede på betydelige utfordringer.

Global bærekraft krever at man sikrer etisk innkjøp av råvarer, reduserer miljøpåvirkninger gjennom hele produksjonsprosessen og takler gjenvinningsproblemet. Mens elektrokjemiske alternativer som natrium-ion-batterier gir løfte, er Li-ion-teknologi fortsatt den dominerende kraften i batterisfæren. Li-ion-batterier er bare en enkelt komponent i global energiomstilling og arbeid med karbonreduksjon for å oppnå netto-nullutslipp innen 2050.