Mineraler i batteriindustrien

Globale trender innen energiomlegging og elektrifisering styrker mobilitet og elektrisk tilpasningsevne, blant annet ved å ta i bruk elbiler og lagringsløsninger for fornybar energi. Disse trendene har satt fokus på batteriteknologi hos industrielle innovatører. På grunn av den stadig økende etterspørselen i hele industrien har batteriproduksjonen økt kraftig de siste tiårene, med nye kilder til batterimineraler og forbedret effektivitet i produksjonsprosesser og teknologi.

I batterikjemien er det kombinasjonen av mineraler som bidrar til den samlede ytelsen. Ulike grunnstoffer og forbindelser kombineres for å danne elektrodene og elektrolytten i hver celle, og samspillet mellom dem definerer batteriets egenskaper. På denne siden kan du lese om viktige mineralers vei fra jorden til batteriene som driver de mobile og elektriske systemene som den moderne verden i stadig større grad er avhengig av. Den tar også for seg utfordringer og strategier for å opprettholde stabiliteten i forsyningskjeden.

Litium-ion-batterier (Li-ion) er den klart mest fremtredende batteritypen i dagens utvalg av batterier. Disse batteriene er basert på en kompleks kombinasjon av mineraler og materialer, som hver for seg bidrar til batteriets unike egenskaper. Litium er den mest fremtredende grunnstoffkomponenten, men det kreves også andre mineraler for å produsere litium-ion-celler.

Katoden i et batteri påvirker flere viktige ytelsesegenskaper, blant annet energitetthet, effekt og cellens levetid.

Kobolt er verdsatt for sin høye energitetthet og stabilitet, og brukes ofte i katoder til Li-ion-batterier, spesielt i elbiler. Utvinning av kobolt er imidlertid mer etisk problematisk enn de fleste andre mineraler til bruk i batterier, noe som krever at ansvarlige batteriprodusenter sporer opprinnelsen i leverandørkjeden, samtidig som de holder interessenter ansvarlige for forsvarlig praksis. EU har for eksempel innført regler for det som kalles konfliktmineraler. Formålet er å begrense bruken av mineraler som finansierer væpnede konflikter eller utvinnes under forhold som bryter menneskerettighetene.

Nikkel brukes også ofte i Li-ion-katoder, noe som gir enda høyere energikapasitet i forhold til både vekt og volum. Utvinning av nikkel gir imidlertid grunn til bekymring for miljøet på grunn av den potensielle innvirkningen på følsomme økosystemer. Det kan blant annet føre til avskoging, tap av leveområder og vannforurensning i havområder der mineralet hovedsakelig har sin opprinnelse, som Indonesia og Filippinene. Av disse grunnene har den amerikanske elbilprodusenten Tesla erklært at de vil slutte å bruke nikkelbaserte Li-ion-batterier i fremtiden.

Mangan er mer utbredt og billigere enn nikkel og kobolt, men har ikke like høy energitetthet målt i vekt eller volum. Den lavere energitettheten gjør det imidlertid mindre reaktivt eller brannfarlig og dermed tryggere å bruke i bestemte typer litium-ion-batterier, for eksempel litium-manganfosfat. Derfor foretrekker produsenter av elektroverktøy og andre kostnadssensitive produsenter ofte dette mineralet til bruk i batteriene sine.

Anodene utgjør den negative elektroden i et batteri, og de er hovedsakelig laget av grafitt, en lett tilgjengelig og billig allotrope av karbon. Grafittgruvedrift er imidlertid også forbundet med miljøhensyn, først og fremst potensiell støvforurensning, vannforurensning og ødeleggelse av landområder. Det er derfor avgjørende for en bærekraftig drift at man tar tak i disse problemene.

I noen nyere batterier med høy tetthet er anoden laget av silisium i stedet for grafitt, fordi det kan lagre flere litiumioner. For elbilindustrien betyr dette økt rekkevidde og ladehastighet. Silisium har imidlertid en tendens til å utvide seg og trekke seg sammen under lading og utlading, noe som utgjør en sikkerhetsrisiko som må reduseres i cellekonstruksjonen.

Elektrolytten mellom katoden og anoden i et batteri sørger for ionestrømmen. Den består vanligvis av litiumsalter oppløst i organiske løsemidler. Litiumheksafluorofosfat, som lages ved å reagere litiumfluorid med andre løsemidler, dominerer for tiden markedet for litiumionelektrolytter, men forskere undersøker også alternative litiumsalter og elektrolytter i fast form.

Litium finnes oftest i søramerikanske saltvannsforekomster og australske hardbergartsformasjoner. Litium utvinnes vanligvis ved hjelp av store fordampingsdammer eller konvensjonelle gruvedriftsmetoder. Begge utvinningsmetodene krever at man tar hensyn til lokale vannressurser og økosystemer for å minimere skadevirkningene.

I motsetning til mange andre metaller raffineres ikke litium til metallisk tilstand, men til løselige forbindelser med høy renhet, som litiumkarbonat eller litiumhydroksid.

Ved utvinning av saltlake konsentreres litiumsalter fra underjordiske saltlakker i konsentrasjoner på 200 til 1 400 mg/l, vanligvis ved hjelp av store fordampingsdammer. Prosessen er tidkrevende og vannintensiv når den brukes i stor skala.

Når saltlaken er konsentrert, gjennomgår den en rekke kjemiske reaksjoner for å felle ut uønskede forbindelser. Dette fører til en eventuell krystallisering, slik at litiumkarbonat kan utvinnes. Nøye overvåking av disse reaksjonene og effektive filtreringsprosesser er avgjørende for å maksimere litiumutvinningen og minimere avfallet.

Alternativt kan man bruke direkte litiumutvinning, som er en mer bærekraftig måte å utvinne litium fra saltlake på, uten behov for fordampingsdammer. Denne prosessen utnytter adsorberende materialer med affinitet for litium. Den inkluderer leirmineraler og ionebytterharpikser for å samle opp litiumrike løsemidler fra saltlaken. Når adsorbentene er mettet med litiumioner, utsettes de for desorpsjon, og litiumløsningen samles opp. Dessverre er denne prosessen ennå ikke levedyktig i den skalaen som kreves for å dekke den kommersielle etterspørselen etter litium.

Gruvedrift i harde bergarter innebærer at man bryter spodumenmalm, knuser den og omdanner den til beta-spodumen ved hjelp av høytemperaturoppvarming i roterende ovner. Hele prosessen er ganske energikrevende.

Når malmen er omdannet, gjennomgår den kjemiske reaksjoner, som for eksempel saltlakeekstraksjonsprosessen, som gradvis fjerner urenheter. Dette fortsetter trinn for trinn til det bare er litiumkarbonat igjen, med mindre biprodukter i lave konsentrasjoner. Forbindelsen må renses ytterligere ved å tilsette en litiumbikarbonatløsning, og deretter filtreres og varmes opp igjen til litiumkarbonat av batterikvalitet er oppnådd. Denne kvaliteten er kjent som "fem niere", eller 99.999 % renhet.

I likhet med litium må andre batterimineraler raffineres for å oppnå renhet før de kan brukes i produksjonen av battericeller. Dette krever vanligvis en rekke kjemiske og fysiske transformasjoner som varierer avhengig av det spesifikke mineralet og bruksområdet. Mens litiumraffinering krever flere trinn med rensing og filtrering, skilles kobolt og nikkel ut gjennom kompliserte pyrometallurgiske eller hydrometallurgiske prosesser.

Etter raffinering brukes materialer med høy renhet til å produsere batterikomponenter. Katode- og anodematerialer syntetiseres gjennom presise blandings-, oppvarmings- og beleggprosesser, som hver for seg krever pålitelig måling og kvalitetskontroll for å sikre optimal batteriytelse.

Elektrolytter fremstilles ved at litiumsalter nøye løses opp i rene løsemidler, samtidig som inntrengning av fuktighet begrenses for å forhindre nedbrytning av batteriet og sikkerhetsrisikoer. Disse komponentene samles så sammen, hvor de legges i lag, pakkes inn og forsegles hermetisk for å forhindre lekkasje og sikre lang levetid.

Under monteringen kombineres de enkelte cellene til batteripakker og moduler, skreddersydd for spesifikke bruksområder som smarttelefoner, elbiler og sofistikerte batteribaserte strømstyringssystemer.

Batterimineralers reise tar ikke slutt når de brukes første gang. Etter hvert som industrien og offentligheten erkjenner at disse ressursene er begrensede, og at utvinning og prosessering av dem har en stor miljøpåvirkning, er det et press for å omfavne prinsippene for sirkulær økonomi.For å oppnå dette må man jobbe for å forbedre batterigjenvinning, slik at man kan gjenvinne verdifulle mineraler fra utrangerte batterier. Dette reduserer avhengigheten av ny gruvedrift og reduserer sårbarheten i forsyningskjeden.

Etter hvert som etterspørselen etter litium-ion-batterier øker, er det viktig å optimalisere mineralutvinning, produksjon og resirkuleringsprosesser for å sikre en bærekraftig drift og minimere miljøskadene. Blant tiltakene som bør vurderes, er implementering av robuste strategier for vannforvaltning, nøye overholdelse av regionale miljøforskrifter og investeringer fra gruveselskaper og interessenter i direkte litiumutvinning.

Produksjonen av batterimineraler er et eksempel på hvordan teknologi, miljø og samfunnsutvikling henger sammen. Etter hvert som menneskeheten navigerer gjennom den store energiomstillingen og kollektivt beveger seg mot karbonnøytrale mål, må industrien integrere etikk, miljøvern og lønnsomhet i sine langsiktige bærekraftstrategier. For å lykkes med dette er det nødvendig med teknologiske fremskritt, etisk innkjøp av råmaterialer og en generelt bærekraftig produksjon.