Tärkeät mineraalit edistävät akkuinnovaatioita

Globaali energiasiirtymä ja sähköistystrendit lisäävät liikkuvuutta ja sähköistä sopeutumiskykyä, mukaan lukien sähköautojen käyttöönotto ja uusiutuvan energian varastointiratkaisut. Nämä suuntaukset ovat saaneet teollisuuden innovaattorit keskittymään akkuteknologiaan. Koko teollisuudessa jatkuvasti kasvavan kysynnän myötä akkutuotanto on kasvanut viime vuosikymmeninä uusien akkumineraalien lähteiden ja valmistusprosessien, sekä teknologian parantuneen tehokkuuden ansiosta. 

Akkukemiassa mineraalien yhdistelmä vaikuttaa osaltaan kokonaissuorituskykyyn. Eri alkuaineet ja yhdisteet yhdistyvät kunkin kennon elektrodien ja elektrolyytin muodostamiseksi, ja niiden vuorovaikutus määrittää akun ominaisuudet. Tällä sivulla tutustutaan välttämättömien mineraalien matkaan maapallolta akkuihin, jotka antavat virtaa mobiili- ja sähköjärjestelmille, joihin nykymaailma yhä enemmän luottaa. Lisäksi tarkastellaan myös haasteita ja strategioita toimitusketjun vakauden ylläpitämiseksi. 

Litiumioniakut (Li-ion) ovat ylivoimaisesti merkittävin tyyppi tämän päivän akkumaailmassa. Nämä kokoonpanot perustuvat monimutkaiseen mineraalien ja materiaalien yhdistelmään, joista jokainen edistää akun ainutlaatuisia ominaisuuksia. Vaikka litium on merkittävin alkuainekomponentti, litiumionikennojen valmistukseen tarvitaan myös muita mineraaleja.

Akun katodi vaikuttaa useisiin keskeisiin suorituskykyominaisuuksiin, kuten energiatiheyteen, tehoon ja kennon käyttöikään.

Korkean energiatiheyden ja vakauden vuoksi arvostettua kobolttia käytetään yleisesti Li-ion-akkukennojen katodeissa, erityisesti sähköautoissa. Koboltin louhintaan liittyy kuitenkin enemmän eettisiä huolenaiheita kuin useimpiin muihin akkumineraaleihin, mikä edellyttää vastuullisten akkujen valmistajien jäljittävän toimitusketjunsa alkuperää, samalla kun tuotantoketjun alkupään sidosryhmät ovat vastuussa hyvien käytäntöjen noudattamisesta. Esimerkiksi Euroopan unioni on ottanut käyttöön säännöksiä niin kutsutuista konfliktimineraaleista. Niillä pyritään hillitsemään mineraalien käyttöä, jotka rahoittavat aseellisia konflikteja tai louhitaan ihmisoikeuksia loukkaavissa olosuhteissa.

Nikkeliä käytetään usein myös litiumionikatodeissa, mikä tarjoaa entistä suuremman energiakapasiteetin sekä painon että tilavuuden mukaan. Nikkelin louhinta aiheuttaa kuitenkin ympäristöongelmia, koska se voi vaikuttaa herkkiin ekosysteemeihin. Näitä vaikutuksia voivat olla metsien häviäminen, elinympäristöjen häviäminen ja vesien saastuminen valtamerialueilla, joilta mineraali on pääasiassa peräisin, kuten Indonesiassa ja Filippiineillä. Näistä syistä tunnettu yhdysvaltalainen sähköautojen valmistaja Tesla ilmoitti luopuvansa nikkelipohjaisista litiumioniakuista tulevaisuudessa.

Mangaania on enemmän ja se on halvempaa kuin nikkeli ja koboltti, mutta vähemmän energiatiheää painon tai tilavuuden mukaan. Kuitenkin sen pienempi energiatiheys tekee siitä vähemmän reaktiivisen tai paloalttiin ja siksi turvallisemman käytettäväksi tietyissä litiumioniakkutyypeissä, kuten litium-mangaanifosfaatti-tyypeissä. Tämän seurauksena sähkötyökalujen valmistajat ja muut kustannuksille alttiit valmistajat suosivat usein tätä mineraalia akuissaan.

Anodit muodostavat akun negatiivisen elektrodin, ja ne on valmistettu pääasiassa helposti saatavilla olevasta ja halvasta hiilen allotrooppista, grafiitista. Grafiitin louhintaan liittyy kuitenkin myös ympäristönäkökohtia, kuten mahdollinen pölysaaste, vesien saastuminen ja maaperän pilaantuminen. Näiden ongelmien ratkaiseminen on tärkeää kestävän toiminnan kannalta.

Joissakin uudemmissa suuritiheyksisissä akuissa anodi on valmistettu piistä grafiitin sijaan, koska se pystyy varastoimaan enemmän litiumioneja. Sähköautoteollisuudessa tämä pidentää toimintamatkaa ja lisää latausnopeutta. Piin taipumus laajentua ja supistua lataus- ja purkujaksojen aikana on kuitenkin turvallisuusriski, jota on pienennettävä kennojen rakentamisessa.

Akun katodin ja anodin välinen elektrolyytti helpottaa ionivirtausta. Se koostuu tyypillisesti litiumsuoloista, jotka on liuotettu orgaanisiin liuottimiin. Litiumheksafluorifosfaatti, joka syntyy saattamalla litiumfluoridi reagoimaan muiden liuottimien kanssa, hallitsee tällä hetkellä litiumioni-elektrolyyttimarkkinoita, mutta tutkijat tutkivat myös vaihtoehtoisia litiumsuoloja ja kiinteän olomuodon elektrolyyttejä.

Litiumia löytyy useimmiten Etelä-Amerikan suolavesiesiintymistä ja Australian kovista kivimuodostelmista. Se uutetaan yleensä laajamittaisissa haihdutusaltaissa tai tavanomaisia kaivosmenetelmiä käyttäen. Molemmat louhintamenetelmät vaativat vastuullista paikallisista vesivarannoista huolehtimista ja ekosysteemeille aiheutuvien haittojen minimoimista.

Toisin kuin monet metallit, litiumia ei jalosteta metalliksi, vaan erittäin puhtaiksi liukoisiksi yhdisteiksi, kuten litiumkarbonaatiksi tai litiumhydroksidiksi.

Suolaveden poistaminen edellyttää litiumsuolojen väkevöimistä maanalaisesta suolavedestä pitoisuuksina 200-1400 mg/l. Tässä käytetään tyypillisesti suuria haihdutusaltaita. Suuressa mittakaavassa prosessi on aikaa vievä ja vettä kuluttava.

Kun suolaliuos on väkevöity, se käy läpi sarjan kemiallisia reaktioita ei-toivottujen yhdisteiden saostamiseksi. Tämä aikaansaa lopulta kiteytymisen, jotta litiumkarbonaatti voidaan uuttaa. Näiden reaktioiden huolellinen seuranta ja tehokkaat suodatusprosessit ovat kriittisiä litiumin talteenoton maksimoimiseksi ja jätteen minimoimiseksi.

Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää suoraa litiumin uuttamista, mikä on kestävämpi tapa saada litiumia suolavedestä ilman tarvetta käyttää haihdutusaltaita. Tämä prosessi hyödyntää adsorboivia materiaaleja, joilla on affiniteetti litiumiin. Se sisältää savimineraaleja ja ioninvaihtohartseja, jotka keräävät runsaasti litiumia sisältäviä liuottimia suolavedestä. Kun adsorbentit on kyllästetty litiumioneilla, ne desorptoidaan ja litiumliuos kerätään. Valitettavasti tämä prosessi ei ole vielä käyttökelpoinen mittakaavassa, joka tarvitaan kaupallisen litiumin kysyntään vastaamiseksi.

Kovan kallion louhinta sisältää spodumeenimalmin louhinnan, murskaamisen ja muuntamisen beeta-spodumeeniksi lämmittämällä sitä korkean lämpötilan kiertouuneissa. Koko prosessi on energiaintensiivinen.

Kun malmi on muunnettu, se käy läpi kemiallisia reaktioita, kuten suolaveden poistoprosessin, joka poistaa epäpuhtaudet vähitellen. Tämä jatkuu vaiheittain, kunnes jäljelle jää vain litiumkarbonaattia ja pieniä sivutuotteita pieninä pitoisuuksina. Yhdiste on puhdistettava edelleen lisäämällä litiumbikarbonaattiliuosta, sitten suodattamalla ja kuumentamalla se uudelleen, kunnes saavutetaan akkulaatuinen litiumkarbonaatti. Tämä luokka tunnetaan nimellä "5N" tai 99,999 %, puhtaus.

Litiumin tavoin muut akkumineraalit on jalostettava puhtaiksi, kun niitä käytetään akkukennojen valmistuksessa. Tämä vaatii tyypillisesti sarjan kemiallisia ja fysikaalisia transformaatioita, jotka vaihtelevat tietyn mineraalin ja sen käyttötarkoituksen mukaan. Vaikka litiumin jalostus edellyttää useita puhdistus- ja suodatusvaiheita, koboltti ja nikkeli erotetaan monimutkaisilla pyrometallurgisilla tai hydrometallurgisilla prosesseilla.

Jalostuksen jälkeen akkukomponenttien valmistukseen käytetään erittäin puhtaita materiaaleja. Katodi- ja anodimateriaalit syntetisoidaan tarkalla sekoitus-, kuumennus- ja pinnoitusprosesseilla, joista jokainen edellyttää luotettavaa mittausta ja laadunvalvontaa akun optimaalisen suorituskyvyn varmistamiseksi. 

Elektrolyytit on formuloitu liuottamalla litiumsuolat huolellisesti puhtaisiin liuottimiin ja rajoittamalla samalla kosteuden tunkeutumista akun vaurioitumisen ja turvallisuusriskien estämiseksi. Sitten nämä komponentit yhdistyvät, jolloin ne kerrostetaan, kääritään ja suljetaan ilmatiiviisti vuotojen estämiseksi ja pitkäikäisyyden varmistamiseksi.

Kokoamisen aikana yksittäiset kennot yhdistetään akkupakkauksiksi ja moduuleiksi, jotka on räätälöity tiettyihin sovelluksiin, kuten älypuhelimiin, sähköautoihin ja kehittyneisiin akkukäyttöisiin virranhallintajärjestelmiin.

Akkumineraalien matka ei pääty niiden ensimmäiseen käyttöön. Kun teollisuus ja kansalaiset tiedostavat näiden resurssien rajallisuuden ja niiden louhinnasta ja käsittelystä aiheutuvat ympäristövaikutukset, kiertotalouden periaatteita halutaan omaksua. Tämän saavuttaminen edellyttää ponnisteluja akkujen kierrätyksen kannattavuuden parantamiseksi, mikä mahdollistaa arvokkaiden mineraalien talteenoton käyttöiän lopussa olevista akuista. Tämä vähentää riippuvuutta uusista kaivoksista ja vähentää toimitusketjun haavoittuvuuksia.

Litiumioniakkujen kysynnän kasvaessa mineraalien louhinta-, tuotanto- ja kierrätysprosessien optimointi on välttämätöntä jatkuvan kestävän toiminnan varmistamiseksi ja ympäristöhaittojen minimoimiseksi. Harkittavia toimenpiteitä ovat vankkojen vesihuoltostrategioiden toteuttaminen, alueellisten ympäristömääräysten huolellinen noudattaminen sekä kaivosyhtiöiden ja sidosryhmien investoinnit suoraan litiumin louhintaan.

Akkumineraalien tuotanto edustaa teknologian, ympäristön ja yhteiskunnallisen liikkeen toisiinsa liittyvää luonnetta. Kun ihmiskunta navigoi suuren energiamurroksen keskellä ja etenee yhdessä kohti hiilineutraaliustavoitteita, teollisuuden on sisällytettävä etiikka, ympäristönsuojelu ja kannattavuus pitkän aikavälin kestävyysstrategioihinsa. Jatkuva menestyminen edellyttää teknologista kehitystä, eettistä raaka-aineiden hankintaa ja kokonaisvaltaisesti kestävää tuotantoa.