Akkujen arvoketjun vahvistaminen

Akkuteollisuus on kasvanut valtavasti viime vuosikymmeninä, mikä johtuu siitä, että kannettavuus ja joustavuus ovat yhä tärkeämpiä jokapäiväisessä elämässä. Nykyaikainen litiumioniakku (Li-ion) aloitti pienimuotoisesti, sillä se kehitettiin alun perin kulutuselektroniikan käyttöön 1990-luvulla. Nykyään se on keskeinen osa matkapuhelimia, kannettavia tietokoneita ja muita laitteita.

Teslan toinen perustaja Martin Eberhard otti merkittävän askeleen eteenpäin kokoamalla useita litiumakkuja sähköautojen käyttövoimaksi. Hän ymmärsi, että kannettavien tietokoneiden akkujen valmistukseen käytettyjä tekniikoita voitaisiin mukauttaa näiden paljon suurempien akkujen valmistukseen kustannustehokkaasti. Tämän seurauksena Tesla ja muut sähköautojen valmistajat integroivat sen nykyiseen akkujen toimitusketjuun. Vuoden 2008 lippulaiva Tesla Roadster sai virtansa 6 831 kannettavan tietokoneen litiumioniakuista, jotka pystyivät 400 km:n (250 mi) toimintamatkaan ja yli 200 km/h:n (130 mph) huippunopeuteen. ¹

Sähköautojen lisäksi ilmastohuolet ohjaavat siirtymistä kohti kestäviä sähköntuotantotekniikoita, mukaan lukien tuuli-, aurinko- ja maalämpö. Koska nämä energialähteet pystyvät tuottamaan energiaa vain suotuisissa olosuhteissa, energian varastointi akkuihin on välttämätöntä tasaisen tuotannon takaamiseksi. Nykyaikaisia ​​litiumakkuja käytetään myös yhä enemmän tehostamaan mikroverkkojen toimintaa perinteisen sähköverkon tehon tuoton lisänä. Tämä on erityisen tärkeää datakeskuksissa ja muissa sovelluksissa, joissa on vaihtelevia tehovaatimuksia.

Litium käy läpi monia vaiheita ja prosesseja, kun se kiertää tiensä maapallolta tukku- ja vähittäismarkkinoille, mukaan lukien kaivostoiminta, jalostus, akkujen valmistus ja kuljetus. Siksi kaikki välivaiheet näkyvät litiumakkujen hinnassa. Suuremmat litiumakut voivat olla melko kalliita. Esimerkiksi Tesla Model S:n vaihtoakku maksaa 8 000–10 000 USD.

Akun arvoketju koostuu neljästä päävaiheesta:

1. Alkupää: Kaivoksilla louhitaan litiumia, kobolttia, mangaania, fosfaatteja, nikkeliä ja grafiittia käytettäväksi Li-ion-akkujen valmistuksessa.
2. Keskivaihe: Prosessointi- ja jalostuslaitokset tuottavat katodi- ja anodiaktiivisia komponentteja, ja ne myydään akkuvalmistajille, jotka kokoavat akkukennoja.
3. Loppupää: Akkuvalmistajat rakentavat kennoja moduuleiksi, jotka myydään sitten tukku- tai kuluttajajälleenmyyjille.
4. Käyttöiän loppu: Akkujen kierrättäjät hajottavat käytetyt akut yksittäisiksi komponenteiksi, joita käytetään uudelleen uusien akkujen valmistukseen useilla eri menetelmillä.

Litiumia löytyy kaupallisina määrinä pääasiassa Australiasta, Argentiinasta, Boliviasta ja Chilestä. Australiassa suurin osa litiummalmista louhitaan avolouhoksilla ja jalostetaan spodumeeniksi. Greenbushes Mine Länsi-Australiassa on maailman suurin litiumkaivos, joka tuottaa noin 5,6 miljardin dollarin arvosta litiumsodumeenia vuosittain.

Pohjois- ja Etelä-Amerikassa litiumia rikastetaan muinaisten suolatasankojen alta löytyvistä salar-suolavesistä. Litium uutetaan maan alta pumpattavasta liuoksesta, jossa on suolaa meriveteen verrattuna kymmenkertainen määrä. Suolavesi pumpataan haihdutusaltaisiin. Altaissa liuoksen litiumpitoisuutta kasvatetaan haihduttamalla vesi ja erottamalla siitä magnesium ja muut ylimääräiset metallit. Myös muita mineraaleja, kuten bromia, voidaan uuttaa samalla tekniikalla.

Kun raaka-aineet on louhittu, ne jalostetaan käyttökelpoisiin muotoihin. Bloomberg NEF:n mukaan ² Kiina, Etelä-Korea ja Japani ovat maailman suurimmat akkuvalmistajamaat. Kiina hallitsee tällä hetkellä litiumioniakkujen maailmanlaajuista toimitusketjua, ja se tuottaa 80 prosenttia kaikista Li-ion-akuista, 70 prosenttia katodeista ja 80 prosenttia anodeista. Lisäksi Kiina käsittelee ja jalostaa yli puolet maailman litiumista, fosfaatista, koboltista ja grafiitista.

Toiseksi eniten akkuja valmistetaan Etelä-Koreassa ja Japanissa, joiden tuotanto on huomattavasti vähäisempää. Etelä-Korea tuottaa 15 prosenttia maailman katodielektrodeista ja 3 prosenttia anodielektrodeistaan, kun taas Japanin osuus on ensimmäisistä 14 prosenttia ja jälkimmäisistä 11 prosenttia.

Litiummalmin jalostusprosessissa käytetään sementinvalmistuksen menetelmiä, kuten murskausta, kalsinointia, jauhamista ja sulfinointia. Liuotusta ja suodatusta käytetään muiden mineraalien, kuten alumiinioksidin, mangaanin ja kalsiumin, poistamiseksi. Prosessia jatketaan, kunnes saadaan paristokelpoista litiumkarbonaattia.

Akun valmistus edellyttää kokonaisen akkukennon ja lopulta kennojen kokoonpanon kasaamista. Avainkomponentteja ovat katodi, anodi ja elektrolyytti. Li-ion-katodit valmistetaan pääasiassa litiumista ja anodit hiilestä. Jokainen kenno sisältää erottimen ja kotelon akkumateriaalien säilyttämiseksi, joka on täytetty johtavalla elektrolyytillä.

Anodi ja katodi valmistetaan muodostamalla liete, joka koostuu aktiivisesta materiaalista, johtavista aineista ja sideaineesta. Sitten liete kerrostetaan kalvo- tai folioalustalle. Kalvo leikataan, trimmataan ja kalanteroidaan, eli litistetään kahden paineistetun telan välissä akkuun sopivaksi ja kuivataan. Liuotin otetaan talteen uudelleenkäyttöä varten.

Kun anodi ja katodi ovat valmiit, niiden väliin asennetaan erotin. Sitten koko kotelo täytetään elektrolyyttigeelillä.

Toimitusketjun tyypillisten haasteiden lisäksi akkujen arvoketjulla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka edellyttävät kriittistä valvontaa turvallisuuden ja kestävän toiminnan varmistamiseksi. Ensinnäkin toimitusketjuja on hallittava huolellisesti, jotta varmistetaan tasainen suolavesien, malmien ja muiden tarvittavien raaka-aineiden saanti. Vaikka merkittävä osa akkuvalmistuksesta on keskittynyt Kiinaan, raaka-aineet tulevat kaikkialta maailmasta, joten toimituskatkokset voivat aiheuttaa suurta vahinkoa.

Lisäksi Li-ion-akkujen valmistusmenetelmät tuottavat kiinteää, nestemäistä ja kaasumaista jätettä. Tämä luo mahdollisia haitallisia ympäristövaikutuksia erityisesti alueille, joilla ympäristörajoitukset eivät ole tiukat.

Li-ion-akkujen valmistuksessa, hävittämisessä ja kierrätyksessä on erittäin tärkeää noudattaa tiukkoja standardeja, koska niissä on palo- tai räjähdysvaara. Kyseenalaisista lähteistä peräisin olevat väärennetyt akut voivat suurentaa näitä riskejä.

Litiumioniakkujen kierrätys voi myös olla vaikeaa. Vaikka ne katsotaan vaaralliseksi jätteeksi, valmistajat voivat saada merkittäviä energiansäästöjä käyttämällä näitä akkuja uudelleen ja samalla eliminoidaan hävittämisen kielteiset ympäristövaikutukset.

Li-ion-akkujen valmistuskustannukset ovat korkeat johtuen vaadittujen raaka-aineiden laadusta, laadunvalvonnan painotuksesta, monimutkaisista valmistusmenetelmistä ja kysyntämäärästä. Esimerkiksi yhden tonnin puhdasta, akkulaatuista litiumia tuottamiseen tarvitaan 289 tonnia malmia, 750 tonnia suolavettä tai 28 tonnia litiumkarbonaattia. ³

Tutkijat tutkivat natrium-ioni-akkujen soveltuvuutta näihin haasteisiin vastaamiseksi. Natriumia on paljon enemmän kuin litiumia, sitä on helpompi louhia ja se on huomattavasti halvempaa.

Virtausakkuja, jotka varastoivat energiaa nestemäiseen elektrolyyttiin, tutkitaan myös sähköverkon mittakaavan energian varastointiin. Tämäntyyppiset akut koostuvat kahdesta tai useammasta säiliöstä elektrolyytin säilyttämiseksi, ja se pumpataan sähkökemiallisen kennon läpi sähkön tuottamiseksi.

Natrium-ionikennoilla ja virtausakuilla on kuitenkin pienempi energiatiheys tilavuuden ja painon suhteen verrattuna litiumioniakkuihin. Ne ovat myös tehottomampia, jolloin niiden käyttäminen energiavarastoina ei ole yhtä luotettavaa kuin litiuminioniakun. Siksi litiumioniakut pysyvät lähitulevaisuudessa ensisijaisena teknologiana.

Litiumioniakut ovat mullistaneet kannettavan energian käytön ja mahdollistaneet mullistavat teknologiat, kuten älypuhelimet, sähkötyökalut, sähköajoneuvot ja mikroverkot. Kun maailma siirtyy kohti uusiutuvaa energiaa ja sähköistä liikennettä, akkujen kysyntä vain kasvaa. Litiumakkujen monimutkainen ja globaalisti toisiinsa kytkeytynyt arvoketju asettaa kuitenkin merkittäviä haasteita.

Globaali kestävyys edellyttää raaka-aineiden eettisen hankinnan varmistamista, ympäristövaikutusten minimointia koko tuotantoketjun ajan ja akkujen kierrätysongelman ratkaisemista. Vaikka sähkökemialliset vaihtoehdot, kuten natriumioniakut, ovat lupaavia, litiumionitekniikka on akuissa edelleen hallitseva. Litiumioniakut ovat vain yksi osa maailmanlaajuista energiamurrosta ja hiilidioksidipäästöjen vähentämispyrkimyksiä nollapäästöjen saavuttamiseksi vuoteen 2050 mennessä.