6 Solutions To Battery Mineral Challenges

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

سیل مقالات اخیر، خواه خود به خود یا هماهنگ، به دنبال بی اعتبار ساختن انرژی های تجدیدپذیر، وسایل نقلیه الکتریکی و سایر عناصر انتقال انرژی صرفه جویی در آب و هوا است. انتقادها از قابلیت اطمینان شبکه گرفته تا کاربری زمین، از اقتصاد تا حقوق صاحبان سهام را شامل می شود. یکی از شایع ترین و متناقض ترین ادعاها این است که یافتن مواد معدنی کافی برای ساخت تمام باتری هایی که یک ناوگان جهانی خودروهای الکتریکی (EVs) به آن نیاز دارد، بسیار مخرب است. این نگرانی های معدنی در واقع بی اهمیت نیستند، اما اغلب اغراق آمیز هستند. من در اینجا توضیح خواهم داد که اگر راه حل هایی که اغلب نادیده گرفته می شوند را در نظر بگیریم چگونه می توانند قابل مدیریت شوند.

مواد باتری مانند لیتیوم، نیکل و کبالت مورد خاصی از یک دینامیک گسترده تر هستند. زمانی که انتظار می رود یک ماده معدنی کمیاب شود، قیمت آن افزایش می یابد. این سیگنال استفاده کارآمدتر، بازیافت، جایگزینی، اکتشاف، نوآوری و سایر واکنش‌های بازار را به همراه دارد، همانطور که برای آن توضیح دادم. عناصر خاکی کمیاب. (برای نشان دادن پایان نامه جایگزینی آن مقاله، نیترید آهن ابر مغناطیس هایی که چهار سال پیش از آنها به عنوان یک جاه طلبی تجربی یاد می کرد اکنون به آنها رسیده اند بازار; آنها حاوی هیچ خاکی کمیاب نیستند و از نظر تئوری می توانند دو برابر قویتر از بهترین آهنرباهای خاکی کمیاب شوند.)

کمبود مواد معدنی ممکن است واقعی یا پرهیجان باشد - به عنوان مثال، برای کاهش رقابت خودروهای الکتریکی با نفت، یا برای افزایش قیمت کالا یا سهام معدنی برای دلالان. برخی از مواد معدنی ممکن است علاوه بر کمبود، نگرانی‌های مشروعی را ایجاد کنند، مانند کار کودکان، فساد، و سایر سوء استفاده‌ها در معدن کبالت. وابستگی بیش از حد به سنگ معدن و کارخانه های فرآوری چین؛ یا استفاده از آب و آسیب زیست محیطی معدن.

نگرانی‌های واقعی نیز ممکن است به زمینه نیاز داشته باشند - مانند اظهارات اخیر، که اعتبار آن به فرضیات زیادی بستگی دارد، مبنی بر اینکه کشت بادام کالیفرنیا شش برابر بیشتر از استخراج لیتیوم در صحرا در هر پوند آب مصرف می‌کند. بادام را نیز می توان فقط یک بار میل کرد، اما پس از استخراج، لیتیوم می تواند کمابیش فوایدی برای همیشه به همراه داشته باشد. و البته، خودروهای برقی تجدیدپذیر، خودروهای نفت سوز را که به طور مهمی به زمین، هوا، سلامتی و آب و هوا آسیب می رسانند، جایگزین می کنند.

در حالی که نگرانی‌های مناسبی در مورد استخراج مواد معدنی باتری وجود دارد، راه‌حل‌های قدرتمند و متعددی نیز وجود دارد که پیش‌بینی‌های معمولی اغلب آن‌ها را دست کم گرفته یا نادیده می‌گیرند و نیازهای استخراج آینده را اغراق‌آمیز می‌کنند. حال بیایید شش بخش متوالی و ضربی فضای حل را بررسی کنیم.

1. ذخیره انرژی بیشتر در هر کیلوگرم

بهبود ترکیب، ساخت، طراحی، کنترل‌ها و شارژ باتری‌ها می‌تواند انرژی بسیار بیشتری را در هر واحد مواد ذخیره کند. از سال 2010، سلول های باتری لیتیوم یون تقریباً سه برابر ذخیره انرژی آنها در هر کیلوگرم کاهش 89 درصدی قیمت آنها در همان دهه تا حدی به دلیل استفاده مقتصدانه تر آنها از مواد است. در این دهه دستاوردهای عمده دیگری نیز انتظار می رود. به عنوان یکی از نمونه های بسیار، آندهای سیلیکونی گفته می شود که چگالی انرژی باتری های لیتیوم یونی را 20 درصد افزایش می دهد. RMI ارزیابی می کند فناوری‌هایی که به طور جمعی چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یون را دو برابر می‌کنند، می‌توانند تا سال 2025 وارد تولید شوند. روز باتری 2020 تسلا ارائه بهبودهای عمده ای را اعلام کرد که اکنون برای تولید انبوه در سال 2022 افزایش می یابد. بنابراین پیش بینی ها بر اساس تراکم انرژی قدیمی به طور قابل ملاحظه ای بیش از حد نیاز به استخراج معدن را نشان می دهد.

2. ماندگاری طولانی‌تر، سپس «تناسخ»

باتری ها همچنین با بهبود طراحی، مواد، ساخت و استفاده طولانی تر هستند. فقط یک نمایه شارژ جدید می تواند معکوس مهاجرت لیتیوم کاهش دهنده زندگی باتری های میلیون مایلی در حال ظهور هستند، بنابراین طول عمر آنها می تواند به زودی به مشکلی مانند سرعت مودم شما تبدیل شود. هرچه باتری‌ها عمر طولانی‌تری داشته باشند، مواد آنها می‌توانند مایل‌های بیشتری را تحمل کنند.

هنگامی که یک خودروی الکتریکی در نهایت بازنشسته می‌شود (یا تصادف می‌کند)، بسته باتری آن می‌تواند به یک انبار ثابت ارزشمند تبدیل شود که همچنان ارزش زیادی به ارمغان می‌آورد، نه با حرکت دادن خودرو، بلکه با حمایت از تغییر جهانی به سمت انرژی‌های تجدیدپذیر (در نتیجه کاهش استخراج سوخت‌های فسیلی و انتشارات). بدین ترتیب خانه تحرک (زوریخ) در حال حاضر 1000 یورو به ازای هر بسته باتری EV در سال با فروش 13 مورد از 21 سرویس بالقوه از بسته های باتری ثابت یا پارک شده EV به شبکه برق در چندین کشور اروپایی درآمد دارد. (به عنوان مثال، در سال 2018 این شرکت مجوز یک خودروی برقی را به عنوان اولین نیروگاه روی چرخ آلمان صادر کرد که قادر به فروش خدمات تثبیت فرکانس به شبکه بود.)

هماهنگی ذخیره‌سازی عظیم و سایر قابلیت‌ها در خودروهای برقی جهان که در 95 درصد مواقع پارک شده‌اند و اغلب در زمان‌های انعطاف‌پذیر قابل شارژ هستند، به عنوان یک عامل اصلی و پرسود برای رشد سریع انرژی‌های تجدیدپذیر متغیر - فتوولتائیک خورشیدی و نیروی بادی در حال ظهور است. ذخیره سازی در مقیاس کاربردی و پشت متر نه تنها با یکدیگر بلکه با ذخیره سازی برق مبتنی بر EV در شبکه یکپارچه رقابت خواهند کرد. که و هشت انواع دیگر منابع انعطاف‌پذیری شبکه بدون کربن به این معنی است که باتری‌های در مقیاس کاربردی مفید هستند اما برای حفظ شبکه ضروری نیستند. قابل اعتماد همانطور که قابل تجدید می شود (دیگر گفتگو). بنابراین، باتری برای خودروهای برقی و برای شبکه ها نیست افزودنی الزامات اما مکمل، مشترک و اغلب متوالی استفاده از مواد مشابه، کاهش کل نیازهای معدن.

3. بازیافت باتری ها

سلول‌های باتری لیتیومی بازیافتی حدود 17 برابر منابع غنی‌تر نیکل، 4 تا 5 لیتیوم و 10 کبالت نسبت به سنگ معدن طبیعی مربوطه خود هستند. "معدن" این منبع بازیافت در حال حاضر خوب شده است در حال انجام. من اخیراً از Redwood Materials، بنیانگذار تسلا، JB Straubel بازدید کردم گیاه در شهر کارسون، نوادا - پیشرو در بازیافت باتری ایالات متحده و یک رهبر نوظهور جهانی. این کارخانه روزانه چندین بار از باتری‌های بسیار متنوع را بازیافت می‌کند - انواع، شکل‌ها، اندازه‌ها و کاربردها، که اغلب آنها را از خرده‌فروشان بزرگی که آنها را از مشتریان می‌گیرند جمع‌آوری می‌کند. این کارخانه همه آن باتری ها را با بازدهی معمولاً بیش از 90 درصد به مواد خالص تبدیل می کند که مستقیماً به باتری های جدید برمی گردند.

در واقع، Redwood Materials یک «معدن» خوش‌خیم، غیرآلاینده و با انتشار تقریباً صفر است که لیتیوم، نیکل، کبالت، مس و گرافیت تولید می‌کند و محصولات بیشتری در راه است. با طراحی درخشان، هیچ ضایعاتی تولید نمی کند - فقط ارزش دارد. در حال حاضر، از کمی گاز طبیعی برای شروع چندین روز پردازش مداوم با سوخت الکترولیت ها و واکنش های خودپایدار استفاده می کند. فرآیندهای آینده آن گاز را نیز از بین می برند و کربن جامد را جذب می کنند.

این پردازش در حال حاضر بر اساس جریان نقدی درآمد کسب می کند، حتی با افزایش سریع ظرفیت، با پیش بینی تولید 20,000 تن ورودی در سال در سال 2021. حتی تا می 2021، کارخانه می تواند هر سال مواد باتری کافی برای ساخت 45,000 بسته EV را بازیابی کند. افزایش سرمایه 0.7 میلیارد دلاری شرکت در جولای 2021 بیش از حد مجاز بود. در 14 سپتامبر 2021، Redwood Materials اعلام کرد برنامه برای کارخانه ای برای ساخت الکترودهای باتری پیشرفته، به طور فزاینده ای از مواد بازیافتی - برای حدود یک میلیون خودروی الکتریکی در سال تا سال 2025 کافی است، سپس تا سال 2030 پنج برابر می شود. یک هفته بعد، فورد اتحاد گسترده ای را برای توسعه زنجیره تامین باتری در آمریکای شمالی با حلقه بسته اعلام کرد. .

منبع اصلی باتری‌های قابل بازیافت برای مواد ردوود، کارخانه تسلا گیگافکتوری است که نیم ساعت با ماشین فاصله دارد - یکی دیگر از طرح‌های JB. روزی دو کامیون خروجی و ضایعات معیوب را ارسال می کند و مواد بازیافتی را برای ساخت باتری های بیشتر پس می گیرد. این دو گیاه مانند گلسنگ همزیست هستند. دیگر کارخانه‌های بزرگ باتری‌سازی که در سرتاسر جهان راه‌اندازی می‌شوند، به‌طور ارگانیک شرکای مشابهی برای بستن حلقه به دست خواهند آورد. بازیابی مواد بسیار بزرگتر اما دیرتر (برای خودروها، اغلب حداقل یک دهه بعد) از باتری های فروخته شده و استفاده شده حاصل می شود.

از آنجایی که باتری‌های پرانرژی بیشتری که در خودروهای برقی کارآمدتر استفاده می‌شوند با افزایش سهم بازار خودروهای برقی رقابت می‌کنند، چنین عملیات بازیافتی می‌تواند در حال حاضر حدود یک دهم مواد مورد نیاز برای ناوگان خودروهای برقی جهانی را تامین کند. با گذشت زمان، بازیافت در نهایت می تواند برای رسیدن به حالت پایدار مقیاس شود، از بین بردن استخراج بیشتر، با ظرفیت صنعتی بسیار بزرگ در حدود (تقریباً) 10 تراوات ساعت در سال - زیرا بازیابی با تأخیر با رشد اشباع جهانی خودروهای برقی طی چندین دهه همراه است. این بسته شدن حلقه می تواند کل COXNUMX خودروهای الکتریکی را به نصف کاهش دهد₂ انتشارات بر اساس اصول مشابه، اپل قصد دارد تا سال 2030 آیفون هایی بسازد که نیازی به ماینینگ ندارند.

یک اثبات مفهوم مشابه، در یک سیستم باتری که در حال حاضر در حدود اشباع بازار است، این است که حدود دو سوم از جهان سرب عصبی و 99 درصد سرب باتری در حال حاضر بازیافت شده است (تقریباً نیمی به طور صحیح و نیمی غیر رسمی). و خطرناک): تقریباً در همه ایالت های ایالات متحده، نمی توانید بدون چرخاندن باتری قدیمی خود یک باتری سرب اسیدی بخرید، به طوری که این حلقه در حال حاضر تقریباً بسته است، و سرب اکنون به ندرت استخراج می شود. اکنون Redwood Materials و رقبای آن قصد دارند تقریباً یک میلیارد باتری مستعمل بدون استفاده در لپ‌تاپ‌های قدیمی خانه‌های ایالات متحده، تلفن‌های همراه و غیره را استخراج کنند - باتری‌هایی که فلزات آنها معمولاً ارزشمندتر از سرب و اغلب غنی از کبالت هستند.

همانطور که ترکیب باتری ها تغییر می کند، جریان های بازیافتی مستقیماً به ظرفیت باتری یکسان تبدیل نمی شوند. بنابراین، باتری‌های گوشی‌های هوشمند معمولاً دارای محتوای کبالت بالایی هستند، در حالی که سازندگان باتری خودرو به سرعت محتوای کبالت را کاهش می‌دهند، بنابراین بازیافت باتری‌های گوشی‌های هوشمند در باتری‌های EV باعث افزایش 30 دقیقه ظرفیت باتری در هر گرم کبالت می‌شود. بنابراین، برای ساخت یک بسته باتری EV حدود 10,000 باتری گوشی هوشمند برای لیتیوم و فقط 300 باتری برای کبالت نیاز است. تسلا، در میان دیگران، در نظر دارد از بین بردن باتری‌های آن از کبالت استفاده می‌کنند، اما سازندگانی که هنوز به کبالت نیاز دارند، می‌توانند آن را از گوشی‌های هوشمند قدیمی دریافت کنند، نه کودکان معدنچی کنگو.

4. رمان شیمی باتری

چندین شرکت الکترولیت های جدیدی را نشان داده اند (مانند مواد یونیپلیمر جامد) که به مواد شیمیایی مانند قلیایی های قابل شارژ اجازه می دهد. چنین مواد شیمیایی مانند منگنز-روی یا منگنز-آلومینیوم نیازی به مواد کمیاب، پرهزینه، سمی یا قابل اشتعال ندارند. بنابراین آنها می توانند لیتیوم را جابجا کنند و نیکل و کبالت، تولیدکنندگان مضر باتری های لیتیوم یون (به ویژه در چین). در حالی که آن زنجیره ارزش باتری لیتیوم یون برخی از جنبه های "قفل" را نشان می دهد، باتری ملی هند ماموریت تأکید می کند جدید شیمی (هند همچنین غنی از منگنز و روی است)، و مانند سایر تلاش‌ها در جاهای دیگر، ممکن است مزایای متمایزی را ارائه دهد که می‌تواند شیمی باتری را متنوع کند. برخی از فلزات باتری مانند آهن و آلومینیوم از فراوان ترین عناصر در پوسته زمین هستند. الکترولیت های جدید نیز می توانند قادر ساختن باتری های لیتیوم یون و لیتیوم سولفور ایمن حتی برای حمل و نقل هوایی مناسب است.

5. وسایل نقلیه کارآمد

یکی از متغیرهای اصلی که تقریباً همه تحلیلگران نادیده گرفته اند، کارایی وسیله نقلیه ای است که در حال الکتریکی شدن است. کاهش سودمند در جرم، کشش آیرودینامیکی، و مقاومت غلتشی - بهبود در فیزیک خودرو به جای کارایی پیشرانه الکتریکی آن - می‌تواند ظرفیت باتری مورد نیاز را برای همان محدوده رانندگی 2 تا 3 دقیقه کاهش دهد. BMW 2013-22 i3 به عنوان مثال، هزینه بدنه فیبر کربنی فوق سبک خود را با نیاز به باتری های کمتر برای جابجایی جرم کمتر، و با ساخت ساده تر (با یک سوم سرمایه گذاری معمولی و آب و نیمی از انرژی، فضا و زمان معمولی) پرداخت کرد. ظرفیت باتری پیش‌بینی‌شده برای هر وسیله نقلیه یک عدد ثابت نیست، اما باید به بازده پلت فرم پارامتری شود. محدوده پتانسیل آن متغیر شمارش نشده چقدر است؟ در سپتامبر 2021، 2–3 دقیقه - و در اواخر امسال، چندین برابر بیشتر!

این به این دلیل است که نسل جدیدی از وسایل نقلیه که در سال 2 وارد بازار می شوند، افزایش بازده ~ 4 تا 2022 اینچی بیشتری نشان می دهد و به قدری کارآمد است که می توانند یک چرخه عادی رفت و آمد را فقط با سلول های خورشیدی در سطح بالایی خود تامین کنند. (افشا: من به دو شرکت از این قبیل توصیه می کنم - aptera.us در 343 مایل بر گالن با دو صندلی، و سال نوری.یک در 251 mpge با پنج.) هر دو طرح می توانند بیشتر بهبود پیدا کنند. چنین وسایل نقلیه ای به نسبت باتری های کوچکتر و زیرساخت شارژ کمتر یا بدون نیاز دارند. در اعداد گرد، 2 تا 3 دقیقه کارآمدتر از مثلاً تسلا هستند مدل 3، یکی از کارآمدترین خودروهای برقی موجود در بازار است. با هم، این افزایش بهره وری می تواند از باتری ها تا یک مرتبه بزرگی (تقریباً 10 درصد) کارآمدتر از بسیاری از خودروهای برقی کنونی موجود در بازار است و می تواند نیاز باتری آنها را به طور متناظر کاهش دهد، همگی با ایمنی بی نقص و ویژگی های راننده جذاب. آپترا هرگز شارژ نکنید یک وسیله نقلیه خاص است، اما شرکت هلندی Lightyear جریان اصلی است. هر دو مهم هستند و بیشتر خواهند بود.

6. تحرک کارآمد

فراتر از مرز سیستم خود وسیله نقلیه، استفاده پربارتر از وسایل نقلیه، مدل‌های جدید کسب‌وکار حمل‌ونقل، تحرک مجازی (ارسال الکترون، ترک هسته‌های سنگین در خانه)، و طراحی شهری بهتر و سیاست‌های عمومی برای دسترسی بهتر با رانندگی کمتر می‌توانند همگی به طور چشمگیری بر نیازهای آینده برای اتومبیل و رانندگی تأثیر می گذارد. مثلا سام دویچ گزارش آتلانتا و بارسلونا تعداد افراد و طول ترانزیت سریع مشابهی دارند، اما انتشار کربن بارسلونا 83 درصد کمتر و تعداد مسافران حمل و نقل انبوه 565 درصد بیشتر است.

به عنوان سال 2017 من تحلیل برای خاک‌های کمیاب یافت می‌شود، و همین امر اکنون برای مواد معدنی باتری صادق است.

... موثرترین جایگزین... هم در موتورها و هم در باتری ها، ماده عجیب دیگری برای ساخت موتور یا باتری نیست. این طراحی ماشین هوشمندتر است که موتورها را کوچکتر و باتری ها را کمتر می کند. یا، حتی بهتر از آن، می‌تواند مدل‌های کسب‌وکار جدید باشد - خدمات قابل اشتراک‌گذاری مانند Zipcar و GetAround، عملیات تحرک به‌عنوان سرویس مانند Lyft و Uber، یا وسایل نقلیه خودمختار - که افراد بیشتری را با ماشین‌های بسیار کمتری مایل‌های بیشتری را حمل می‌کنند. هزینه به طرز شگفت انگیزی کمتر، در نهایت باعث صرفه جویی در حدود 10 تریلیون دلار در سراسر جهان (به ارزش فعلی خالص) می شود.

این گزینه‌ها طیف گسترده‌ای را در وسایل نقلیه اجتناب‌شده بالقوه در بر می‌گیرند، اما در حال حاضر در برخی از هسته‌های شهری، سرویس‌های ریدهیلینگ چندین برابر تعداد وسایل نقلیه‌ای که استفاده می‌کنند، جابه‌جا می‌شوند. با 4 تا 5 درصد متوسط استفاده از خودروهای خصوصی ایالات متحده، پتانسیل به وضوح بسیار بیشتر است. آن را با فرصت‌های دیگر (با مقیاس‌های زمانی و احتمالات بسیار متفاوت) ترکیب کنید - افزایش کوتاه‌مدت ~2' در چگالی انرژی باتری، چندین برابر عمر باتری، ~2-8⁺در راندمان خودرو، و بالقوه جابه‌جایی کامل مواد کمیاب در شیمی باتری - و پیش‌بینی‌های بالای تقاضا برای مواد باتری استخراج‌شده بسیار نامطمئن به نظر می‌رسند و با توجه به عوامل بزرگ احتمالاً اشتباه هستند.

نتیجه

ما حتی راه‌های بیشتری برای صرفه‌جویی در مصرف مواد باتری داریم تا افزایش عرضه آن‌ها، اما این فرصت‌های سمت تقاضا به طور گسترده نادیده گرفته می‌شوند. رقابت یا مقایسه تمام گزینه‌ها - در چشم‌انداز کل سیستم که بر اهرم‌های تقاضا به اندازه گسترش عرضه تأکید می‌کند و آنها را مقایسه یا رقابت می‌کند - انتخاب‌ها، اقدامات و تأثیرات بهتری را به همراه خواهد داشت و به جلوگیری از حباب دارایی‌ها، عرضه بیش از حد، مداخلات بی‌ضرور و ریسک‌های غیرضروری کمک می‌کند. . به همین دلیل است که بحث در مورد مواد باتری، یا هر منبع ظاهرا کمیاب دیگر، باید نه تنها پیش بینی های تقاضای ساده یا معادن نگران کننده، بلکه کل سیستم را در نظر بگیرد - انتها به انتها، خطی به دایره ای، و کاملاً درگیر با نوآوری، اقتصاد، و تجارت

فیزیک دان Amory B. Lovins بنیانگذار و رئیس بازنشسته RMI و استادیار مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه استنفورد است.

© موسسه کوه راکی 2021. با مجوز منتشر شد. در اصل در ارسال شده است خروجی RMI.

از اصالت CleanTechnica قدردانی می کنید؟ در نظر گرفتن یک عضو، پشتیبان، تکنسین یا سفیر CleanTechnica - یا یک حامی در Patreon.