Få oversikt over den komplekse forsyningskjeden for elbilbatterier

Økende global bruk av elektriske kjøretøyer (EV-er) er avhengig av en kompleks og utviklende litium-ion (Li-ion) forsyningskjede for batterier, som dekker råmineralutvinning, produksjon av batterikomponenter og cellemontering. Hvert trinn i denne omstendelige prosessen byr på unike utfordringer og muligheter.

En av de største utfordringene er å sikre tilstrekkelig mineraltilgjengelighet for å møte den økende etterspørselen etter elbiler og skiftende krav til batterier. De første elbilene var veldig kompakte, som bidro til å maksimere den begrensede rekkevidden som de fleste Li-ion-batteripakker på den tiden kunne gi. For eksempel var 2016 Chevrolet Spark EV bare 3,7 meter (147 tommer) lang med en rekkevidde på 132 km (82 miles). Imidlertid har kjøretøystørrelse, rekkevidde og ytelsesforventninger økt det siste tiåret, og krever større batteripakker med gunstige mineralkombinasjoner og høyere celletall per kjøretøy.

I tillegg blir industrien konfrontert med behovet for å utvikle bærekraftige resirkuleringsmetoder når tidlige elbiler og deres Li-ion-batterier nærmer seg slutten av levetiden. Denne innsatsen er avgjørende for å minimere avfall og redusere belastningen på ressurser og miljøene de utvinnes fra.

Salget av elbiler har skutt i været de siste årene,og nådde rekordhøye 10,5 millioner i 2023, inkludert både elbiler og plug-in hybrid bilder. Det er ingen tegn til nedgang, med anslag som forutsier en sammensatt årlig vekst på elbiler på 32 % frem til 2030. Disse tallene fremhever det presserende behovet for robuste og bærekraftige løsninger for forsyningskjeden til batterier.

Som de fleste batterier, består Elbil-batterier av sjeldne jordartsmetaller, som inneholder varierende mengder litium, kobolt, nikkel og grafitt. Mange av disse materialene kan gjenbrukes og resirkuleres i den sirkulære økonomien, i motsetning til drivstoff til kjøretøy med forbrenningsmotorer (ICE), som er avhengig av kontinuerlig utvinning og forbrenning av fossilt brensel.

Litium og andre sjeldne jordmineraler går gjennom mange stadier og prosesser når de tar turen fra jorden til grossist- og detaljmarkedene i batteripakker. Disse trinnene inkluderer gruvedrift, raffinering, batteriproduksjon, montering og frakt.

Prisen på litiumbatterier gjenspeiler alle mellomliggende trinn, og større EV-batterier kan være ganske dyre. For eksempel koster en ny Tesla Model S-batteripakke mellom USD 8 000 og USD 10 000 i 2024.

Reisen til EV-batterier begynner i mineralrike regioner der essensielle sjeldne mineraler utvinnes. De fleste av disse materialene utvinnes som mineralrik malm, raffineres, bearbeides, utlutes og renses.

Gruvedrift kan imidlertid bidra til avskoging, tap av habitat og vannforurensning med mindre ansvarlige miljøverntiltak iverksettes. Videre skaper konsentrasjonen av sjeldne jordartsmetaller i begrensede regioner bekymring for geopolitisk sårbarhet og potensielle forstyrrelser i forsyningskjeden, noe som krever at industriens interessenter holder et kollektivt øye med markedet og jobber sammen for å dempe potensielle påvirkninger på forhånd.

Industrien svarer på disse utfordringene gjennom innsats for diversifisering av mineraler, mer miljøvennlige metoder for gruvedrift og fremskritt innen resikrulering av batterimineraler. Disse handlingene forventes å redusere avhengigheten av geopolitisk sensitive materialer, bevare økosystemer nær gruver og beskytte vannressurser.

Midstream-prosesser krever transformering av råmaterialer til kompositter av batterikvalitet. Disse trinnene inkluderer prosessering av litium til forbindelser som hydroksyd, karbonat og salter, avgjørende for å produsere batterielektrodebelegg og elektrolyttlaget mellom en battericelles katode og anode.

Et batteris katode påvirker cellens ytelse betydelig. De fleste EV-katoder er kombinasjoner av kobolt- og nikkellegeringer, men det er pågående eksperimentering for å bruke sikrere, mer effektive og mangfoldige kombinasjoner av metaller.  

Li-ion-anoder består vanligvis av kobberfolie belagt med grafitt, og gir en vertsstruktur for litiumioner under lading og utlading. Denne komponenten er avhengig av spesialisert grafitt, slipt til presise størrelser og påført kobberoverflaten.

Disse midstream-prosedyrene utføres i betydelig skala fordi de fleste EV-batterier inneholder tusenvis av individuelle celler. Å sikre materialrenhet og produksjonskvalitet er avgjørende for sikre og effektive batterier, og krever sofistikert prosessinstrumentering og analysatorer for å overvåke og kontrollere produksjonsprosessen.

Etter produksjon kombineres komponentene til celler, typisk i sylindriske former for elbiler. Disse cellene settes deretter sammen til store batteripakker for å gi akseptabel kraft til et kjøretøy over lange avstander.

Å skaffe batterier som kan drive elbiler over lang rekkevidde er et nøkkelkrav for økende levedyktighet til elbiler i både forbruker- og kommersielle markeder. Sjåfører er vant til å fylle opp ICE-kjøretøyer på bare minutter etter noen hundre miles med kjøring, ved å bruke et rikt nettverk av bensinstasjoner. Derimot er det få ladestasjoner for elbiler og det tar timer å lade et elbilbatteri på de fleste terminaler.

For å bekjempe disse ulempene må ladeinfrastrukturen fortsette å utvides, med fokus på hurtiglading med høy effekt. Stadig bedre batterier med høyere energilagringskapasitet bidrar til å dempe noen bekymringer, spesielt i forbruker- og kommersielle markeder hvor kjøretøy ofte er parkert i lengre perioder, og gir rikelig med lademuligheter.

Utvikling av hydrogen brenselceller er et annet teknisk alternativ for å løse problemet med ladetid, men infrastruktur for drivstoff er kritisk mangelfull i de fleste regioner, noe som gjør hydrogendrevne kjøretøy ubrukelig i de fleste markeder per dags dato.

Li-ion-batterier kan være farlige på grunn av energien som er lagret i dem, samt svært reaktive råvarer og kjemikalier som brukes, noe som gjør dem farlig utsatt for forbrenning hvis de utsettes for gnister, blir alvorlig deformert eller er dårlig konstruert. Videre kan dekomponering av den litiumbaserte elektrolytten frigjøre brennbare gasser som etylen, metan og hydrogen til luften.

Termisk løp, som kan oppstå hvis et batteri blir for varmt på grunn av skade eller feil lading, er en alvorlig bekymring for EV-batterier. I tilfelle dette skjer, fordamper voksende varme elektrolytten, kompromitterer cellehuset og frigjør brennbare gasser. Overlading kan føre til at metallisk litium dannes inne i cellen, noe som kan forårsake interne kortslutninger og reagere med luftfuktigheten. Når denne reaksjonen begynner, er den selvopprettholdende, derfor kan det hende at det ikke stopper den fra å koble fra strømmen. Dessverre er termisk løp vanskelig å oppdage før en brann bryter ut, noe som understreker viktigheten av høykvalitets celleproduksjon.

Resirkulering har blitt et kritisk aspekt i forsyningskjeden for elbilbatterier i det siste ettersom industrien kjemper med en rask økning i avfall fra batterikomponenter fra utgåtte elbiler. Etter hvert som elbilsalget vokser, øker også behovet for effektive og bærekraftige resirkuleringsmetoder for å gjenvinne verdifulle metaller, minimere miljøpåvirkningen og supplere gruvedrift for produksjon av nye EV-batterier.

EV-batterier kan resirkuleres på lignende måter som mindre Li-ion-batterier via pyrometallurgi og hydrometallurgi. Deres store størrelse, vekt og kompleksitet multipliserer imidlertid utfordringene med effektiv mineralutvinning. Ulike gjenvinningsanlegg tilnærmer seg oppgaven forskjellig. Noen velger å manuelt demontere EV-batteripakker ved hjelp av team av dyktige arbeidere, mens andre ganske enkelt makulerer hele batterier mens de er nedsenket i inert væske for å begrense oksygen og redusere risikoen for forbrenning.

Effektiviteten til resirkulering av EV-batterier forbedres raskt til tross for utfordringene, med innovasjoner som robotdemontering som hjelper til med å skalere praksisen. Storskala batteriresirkulering er et stadig viktigere forskningsområde fordi antallet batterier som vil kreve fremtidig resirkulering vokser tilsvarende etter hvert som rekordmange elbiler kjører på veien og etter hvert som batteribaserte energilagringssystemer sprer seg.

Å møte den raskt økende etterspørselen etter EV-batterier krever en stabil forsyningskjede, som spenner over prosesser for gruvedrift, produksjon, montering og resirkulering. I tillegg må industrien sikre en sømløs flyt av komponenter og materialer på tvers av geografisk spredte regioner for å opprettholde effektiv batteripakkeproduksjon.

Overgangen til elektrisk mobilitet byr på utfordringer, men det er en avgjørende del av den globale innsatsen for å redusere karbonutslipp og begrense klimagasser i atmosfæren. For å håndtere forsyningskjedeutfordringene for elbiler på en bærekraftig måte, kreves det at man implementerer ansvarlig praksis for innkjøp av råvarer, reduserer miljøpåvirkningen fra gruvedrift, streng kvalitetskontroll under produksjon og montering og fortsetter å investere i batteriresirkuleringsteknologier.