Navigointi sähköakkujen monimutkaisessa tuotantoketjussa

Sähköautojen yleistyminen maailmanlaajuisesti perustuu monimutkaiseen ja kehittyvään litiumioniakkujen toimitusketjuun, joka kattaa raakamineraalien louhinnan, akkukomponenttien valmistuksen ja kennojen kokoonpanon. Tämän monimutkaisen prosessin jokainen vaihe tarjoaa ainutlaatuisia haasteita ja mahdollisuuksia. 

Yksi suurimmista toimitusketjun haasteista on varmistaa mineraalien riittävä saatavuus, jotta voidaan vastata sähköautojen kasvavaan kysyntään ja kehittyviin akkuvaatimuksiin. 2000-luvun alun henkilösähköautot olivat erittäin kompakteja, mikä auttoi maksimoimaan rajallisen toimintamatkan, jonka useimmat sen ajan litiumioniakut pystyivät tarjoamaan. Esimerkiksi vuoden 2016 Chevrolet Spark -sähköauto oli vain 3,7 metriä (147 tuumaa) pitkä ja sen toimintamatka oli 132 km (82 mailia). ¹ Autojen kokoa, toimintamatkaa ja suorituskykyä koskevat odotukset ovat kuitenkin lisääntyneet viime vuosikymmenen aikana, mikä edellyttää suurempia akkuja, joissa on edullisia mineraaliyhdistelmiä ja suurempia kennomääriä ajoneuvoa kohti.

Lisäksi teollisuuden on kehitettävä kestäviä kierrätysmenetelmiä, kun ensimmäiset sähköautot ja niiden litiumioniakut lähestyvät käyttöikänsä loppua. Nämä toimet ovat välttämättömiä jätteen minimoimiseksi ja neitseellisten luonnonvarojen ja ympäristöjen, joista ne on otettu, kuormituksen vähentämiseksi.

Sähköautojen käyttöönotto on lisääntynyt maailmanlaajuisesti viimeisen vuosikymmenen aikana, ja sähköautojen myynti nousi ennätykselliseen 10,5 miljoonaan vuonna 2023, mukaan lukien sekä täysakku- että ladattavat hybridi-sähköautot. ² Hidastumisesta ei ole merkkejä, sillä ennusteet ennustavat sähköautojen vuosittaisen kasvuvauhdin olevan 32 % vuoteen 2030 mennessä. Nämä luvut korostavat kipeää tarvetta vankoille ja kestäville akkujen toimitusketjuratkaisuille.

Kuten useimmat akut, sähköautojenkin akut koostuvat harvinaisista maametallien mineraaleista, jotka sisältävät vaihtelevia määriä litiumia, kobolttia, nikkeliä ja grafiittia. Monia näistä materiaaleista voidaan käyttää uudelleen ja kierrättää kiertotaloudessa, toisin kuin polttomoottoriautoissa käytettävä polttoaine, joka perustuu jatkuvaan fossiilisten polttoaineiden talteenottoon ja polttamiseen. 

Litium ja muut harvinaiset maametallit kulkevat monien vaiheiden ja prosessien läpi kulkiessaan maasta tukku- ja vähittäismarkkinoille akkupakkauksissa. Näitä vaiheita ovat louhinta, jalostus, akkujen valmistus, kokoonpano ja toimitus. 

Litiumakkujen hinta heijastaa kaikkia välivaiheita ja suuremmat sähköautojen akut voivat olla melko kalliita. Esimerkiksi Tesla Model S:n vaihtoakku maksaa 8 000–10 000 USD vuonna 2024. 

Sähköajoneuvojen akkumatka alkaa mineraalipitoisilta alueilta, joilla louhitaan välttämättömiä harvinaisia mineraaleja. Suurin osa näistä materiaaleista louhitaan mineraalirikkaana malmina, jalostetaan, käsitellään, liuotetaan ja puhdistetaan. 

Kaivostoiminta voi kuitenkin aiheuttaa metsien ja elinympäristöjen häviämistä sekä vesien saastumista, ellei vastuullisia ympäristönsuojelutoimenpiteitä toteuteta. Lisäksi harvinaisten mineraalien keskittyminen rajatuille alueille herättää huolta geopoliittisesta haavoittuvuudesta ja mahdollisista toimitusketjun häiriöistä, mikä vaatii alan sidosryhmiä seuraamaan markkinoita ja työskentelemään yhdessä mahdollisten vaikutusten lieventämiseksi ajoissa. 

Teollisuus vastaa näihin haasteisiin mineraalien monipuolistamisella, ympäristöystävällisemmillä kaivosmenetelmillä ja akun mineraalien kierrätyskyvyn parantamisella. Näiden toimien odotetaan vähentävän riippuvuutta geopoliittisesti herkistä materiaaleista, säilyttävän kaivosten lähellä olevia ekosysteemejä ja suojelevan vesivaroja. 

Keskivaiheen prosessit edellyttävät raaka-aineiden muuntamista akkulaatuisiksi komponenteiksi. Näihin vaiheisiin kuuluu litiumin prosessointi yhdisteiksi, kuten hydroksidiksi, karbonaatiksi ja suoloiksi, jotka ovat välttämättömiä akkuelektrodipinnoitteiden ja akkukennon katodin ja anodin välisen elektrolyyttikerroksen valmistuksessa. 

Akun katodi vaikuttaa merkittävästi kennon suorituskykyyn. Useimmat sähköautojen katodit ovat koboltin ja nikkeliseosten yhdistelmiä, mutta käynnissä on kokeiluja turvallisempien, tehokkaampien ja monipuolisempien metalliyhdistelmien käyttämiseksi. 

Litiumionianodit koostuvat tyypillisesti grafiitilla päällystetystä kuparifoliosta, joka tarjoaa isäntärakenteen litiumioneille latauksen ja purkamisen aikana. Tämä komponentti perustuu erikoisgrafiittiin, joka on hiottu tarkkoihin mittoihin ja levitetty kuparipinnalle. 

Nämä toimenpiteet suoritetaan merkittävässä laajuudessa, koska useimmat sähköakkujen akut sisältävät tuhansia yksittäisiä kennoja. Materiaalien puhtauden ja valmistuslaadun varmistaminen on kriittistä turvallisten ja tehokkaiden akkujen kannalta, mikä edellyttää pitkälle kehitettyä prosessimittalaitteistoa ja analysaattoreita tuotantoprosessin valvomiseksi ja ohjaamiseksi. 

Valmistuksen jälkeen komponentit yhdistetään kennoiksi, tyypillisesti sähköautoille lieriömäisiksi. Nämä kennot kootaan sitten suuriksi akustoiksi antamaan autoille tarvittavan tehon pitkillä matkoilla. 

Sähköautoille pitkäksi toimintamatkaksi virtaa antavien akkujen tarjoaminen on keskeinen vaatimus sähköautojen kannattavuuden lisäämiselle sekä kuluttaja- että yritysmarkkinoilla. Kuljettajat ovat tottuneet täyttämään ICE-autot muutamassa minuutissa muutaman sadan kilometrin ajon jälkeen kattavaa huoltoasemaverkostoa käyttämällä. Sitä vastoin sähköautojen latausasemia on vähän, ja sähköauton akun lataaminen kestää tunteja useimmissa liittimissä. 

Näiden haittojen torjumiseksi latausinfrastruktuurin laajentamista on jatkettava korkeatehoiseen nopeaan lataukseen keskittyen. Yhä tehokkaammat akut, joilla on suurempi energian varastointikapasiteetti, auttavat lieventämään joitakin käytännön ongelmia, erityisesti kuluttaja- ja yritysmarkkinoilla, joilla autot ovat usein pysäköitynä pitkiä aikoja, mikä tarjoaa runsaasti latausmahdollisuuksia. 

Vetypolttokennojen kehittäminen on toinen tekninen vaihtoehto latauksen kestoon liittyvien kysymysten ratkaisemiseksi, mutta polttoaineen syöttöinfrastruktuuri on kriittisesti puutteellinen useimmilla alueilla, mikä tekee vetykäyttöisistä autoista toistaiseksi kannattamattomia useimmilla markkinoilla. 

Litiumioniakut voivat olla vaarallisia niihin varastoidun energian sekä käytettyjen erittäin reaktiivisten raaka-aineiden ja kemikaalien vuoksi, mikä tekee niistä vaarallisen alttiita palamiselle, jos ne altistuvat kipinöille, ovat pahasti vääntyneitä tai huonosti rakennettuja. Lisäksi litiumpohjaisen elektrolyytin hajoaminen voi vapauttaa ilmaan syttyviä kaasuja, kuten eteeniä, metaania ja vetyä. 

Lämmön karkaaminen, joka voi tapahtua, jos akku kuumenee liian kuumaksi vaurion tai virheellisen latauksen vuoksi, on vakava huolenaihe sähköautojen akuille. Jos näin tapahtuu, kasvava lämpö höyrystää elektrolyytin, vaarantaa kennokotelon ja vapauttaa syttyviä kaasuja. Ylilataus voi aiheuttaa metallisen litiumin muodostumisen kennon sisään, mikä voi aiheuttaa sisäisiä oikosulkuja ja reagoida ympäristön kosteuden kanssa. Kun tämä reaktio alkaa, se on itseään ylläpitävä, joten virran katkaiseminen ei ehkä pysäytä sitä. Valitettavasti lämpökarkaamista on vaikea havaita ennen kuin tulipalo syttyy, mikä korostaa korkealaatuisen kennovalmistuksen tärkeyttä.

Kierrätyksestä on tullut kriittinen näkökohta sähköautojen akkujen toimitusketjussa viime aikoina, kun teollisuus kamppailee käytettyjen sähköautojen akkukomponenttijätteen nopean lisääntymisen kanssa. Sähköautojen yleistyessä tarve tehokkaille ja kestäville kierrätysmenetelmille arvometallien talteenottamiseksi, ympäristövaikutusten minimoimiseksi ja kaivostoiminnan täydentämiseksi uusien sähköautojen akkujen tuotantoon on kasvanut huomattavasti.

Sähköautojen akkuja voidaan kierrättää samalla tavalla kuin pienempiä litiumioniakkuja pyrometallurgian ja hydrometallurgian avulla. Niiden suuri koko, paino ja monimutkaisuus kuitenkin moninkertaistavat tehokkaan mineraalien talteenoton haasteet. Erilaiset kierrätyslaitokset lähestyvät tehtävää eri tavalla. Jotkut päättävät purkaa sähköautojen akut manuaalisesti ammattitaitoisten työntekijöiden avulla, kun taas toiset yksinkertaisesti pilkkovat kokonaisia ​​akkuja upotettuina inerttiin nesteeseen hapen rajoittamiseksi ja palamisriskin vähentämiseksi. 

Sähköautojen akkujen kierrätyksen tehokkuus paranee nopeasti haasteista huolimatta, ja innovaatiot, kuten robottipurkaminen, auttavat skaalaamaan käytäntöä. Laajamittainen akkujen kierrätys on yhä tärkeämpi tutkimusalue, koska tulevaisuudessa kierrätystä vaativien akkujen määrä kasvaa samassa suhteessa, kun ennätysmäärä sähköautoja otetaan käyttöön ja akkupohjaiset energian varastointijärjestelmät yleistyvät. 

Sähköautojen akkujen nopeasti kasvavaan kysyntään vastaaminen edellyttää vakaata toimitusketjua, joka kattaa kaivos-, valmistus-, kokoonpano- ja kierrätysprosessit. Lisäksi teollisuuden on varmistettava komponenttien ja materiaalien saumaton virtaus maantieteellisesti hajallaan olevien alueiden välillä tehokkaan akkujen tuotannon ylläpitämiseksi. 

Siirtyminen sähköiseen liikkuvuuteen tuo haasteita, mutta se on keskeinen osa maailmanlaajuisia pyrkimyksiä vähentää hiilidioksidipäästöjä ja rajoittaa kasvihuonekaasuja ilmakehässä. Sähköautojen toimitusketjun haasteisiin vastaaminen kestävästi edellyttää vastuullisten raaka-aineiden hankintakäytäntöjen käyttöönottoa, kaivostoiminnan ympäristövaikutusten vähentämistä, tiukkaa laadunvalvontaa valmistuksen ja kokoonpanon aikana sekä akkujen kierrätysteknologioihin investoimisen jatkamista.