6 Solutions To Battery Mineral Challenges

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Banyaknya artikel baru-baru ini, baik yang bersifat spontan maupun terkoordinasi, berupaya mendiskreditkan energi terbarukan, kendaraan listrik, dan elemen lain dari transisi energi yang menyelamatkan iklim. Kritiknya berkisar dari keandalan jaringan listrik hingga penggunaan lahan, dari ekonomi hingga keadilan. Salah satu klaim yang paling luas dan kontroversial adalah bahwa menemukan cukup mineral untuk membuat semua baterai yang dibutuhkan oleh armada kendaraan listrik (EV) global adalah hal yang sangat merusak atau bahkan tidak mungkin. Kekhawatiran mineral ini memang bukan hal sepele, namun seringkali dibesar-besarkan. Saya akan menjelaskan di sini bagaimana permasalahan tersebut dapat dikelola jika kita menyertakan solusi yang sering diabaikan.

Bahan baterai seperti litium, nikel, dan kobalt adalah contoh khusus dari dinamika yang lebih luas. Ketika material yang ditambang diperkirakan menjadi langka, harganya akan naik. Sinyal tersebut menghasilkan penggunaan, daur ulang, substitusi, eksplorasi, inovasi, dan respons pasar lainnya yang lebih efisien, seperti yang telah saya jelaskan di atas. tanah jarang. (Mengilustrasikan tesis substitusi artikel itu, the besi nitrida supermagnet yang disebutkan empat tahun lalu sebagai ambisi eksperimental kini telah terwujud pasar; magnet ini tidak mengandung unsur tanah jarang dan secara teoritis bisa menjadi dua kali lebih kuat dari magnet tanah jarang terbaik.)

Kelangkaan mineral mungkin terjadi secara nyata atau berlebihan – misalnya, untuk mengurangi persaingan kendaraan listrik dengan minyak, atau untuk menaikkan harga komoditas atau saham pertambangan bagi spekulan. Beberapa mineral mungkin menimbulkan kekhawatiran yang sah selain kelangkaannya, seperti pekerja anak, korupsi, dan pelanggaran lain dalam penambangan kobalt rakyat; ketergantungan yang tidak semestinya pada bijih dan pabrik pengolahan Tiongkok; atau penggunaan air dan kerusakan lingkungan akibat pertambangan.

Kekhawatiran nyata juga mungkin memerlukan konteks – seperti pernyataan baru-baru ini, yang validitasnya bergantung pada banyak asumsi, bahwa menanam kacang almond California membutuhkan air enam kali lebih banyak per pon dibandingkan menambang litium di gurun. Almond juga bisa dinikmati sekali saja, namun setelah diekstraksi, litium tetap bisa memberikan manfaat secara permanen. Dan tentu saja, kendaraan listrik bertenaga terbarukan menggantikan kendaraan berbahan bakar minyak yang berdampak buruk pada tanah, udara, kesehatan, dan iklim.

Meskipun terdapat kekhawatiran yang cukup besar mengenai penambangan mineral baterai, terdapat juga banyak solusi yang kuat dan multiplikatif yang sering diremehkan atau diabaikan oleh proyeksi konvensional, sehingga membesar-besarkan kebutuhan penambangan di masa depan. Sekarang mari kita jelajahi enam bagian ruang solusi yang berurutan dan multiplikatif.

1. Menyimpan Lebih Banyak Energi per Kilogram

Memperbaiki komposisi, manufaktur, desain, kontrol, dan pengisian ulang baterai dapat menyimpan lebih banyak energi per unit bahan. Sejak 2010, sel baterai lithium-ion sudah ada hampir tiga kali lipat penyimpanan energi mereka per kilogram. Penurunan harga sebesar 89 persen pada dekade yang sama sebagian disebabkan oleh penggunaan bahan yang lebih hemat. Kemajuan besar lainnya diperkirakan akan terjadi pada dekade ini; sebagai salah satu dari banyak contoh, silikon anoda dikatakan meningkatkan kepadatan energi baterai lithium-ion sebesar 20 persen. RMI menilai bahwa teknologi yang secara kolektif menggandakan kepadatan energi baterai lithium-ion dapat mulai diproduksi pada tahun 2025. Hari Baterai Tesla 2020 presentasi mengumumkan perbaikan besar yang kini ditingkatkan untuk produksi massal pada tahun 2022. Jadi proyeksi berdasarkan kepadatan energi lama jauh melebih-lebihkan kebutuhan penambangan.

2. Bertahan Lebih Lama, Lalu Menjadi “Reinkarnasi”

Baterai juga bertahan lebih lama seiring dengan peningkatan desain, bahan, manufaktur, dan penggunaan. Hanya profil pengisian daya baru yang bisa membalikkan migrasi lithium yang mengurangi kehidupan. Baterai jutaan mil bermunculan, sehingga masa pakainya bisa menjadi masalah yang tidak relevan seperti kecepatan modem Anda. Semakin lama baterai bertahan, semakin jauh jarak tempuh kendaraan yang dapat didukung oleh materialnya.

Ketika sebuah kendaraan listrik akhirnya berhenti digunakan (atau mengalami kerusakan), paket baterainya dapat “bereinkarnasi” menjadi penyimpanan stasioner berharga yang terus memberikan nilai besar, bukan dengan menggerakkan kendaraan namun dengan mendukung peralihan global ke energi terbarukan (sehingga mengurangi penambangan bahan bakar fosil). dan emisi). Dengan demikian Rumah Mobilitas (Zürich) telah menghasilkan ~€1000 per paket baterai EV per tahun dengan menjual ~13 dari 21 layanan potensial dari paket baterai EV yang tidak bergerak atau diparkir ke jaringan listrik di beberapa negara Eropa. (Misalnya, pada tahun 2018, perusahaan tersebut melisensikan kendaraan listrik sebagai pembangkit listrik beroda pertama di Jerman, yang mampu menjual layanan stabilisasi frekuensi ke jaringan listrik.)

Mengkoordinasikan penyimpanan yang sangat besar dan kemampuan lainnya dalam kendaraan listrik di dunia, yang diparkir ~95 persen dari waktu dan sering kali dapat diisi ulang pada waktu yang fleksibel, muncul sebagai pendorong utama dan menguntungkan bagi pertumbuhan pesat dalam variabel energi terbarukan – fotovoltaik surya dan tenaga angin. Penyimpanan skala utilitas dan penyimpanan di belakang meteran akan bersaing tidak hanya satu sama lain tetapi juga dengan penyimpanan listrik berbasis EV yang terintegrasi dengan jaringan. Itu dan delapan jenis sumber daya fleksibilitas jaringan bebas karbon lainnya berarti bahwa baterai skala utilitas berguna tetapi tidak penting untuk menjaga jaringan listrik dapat diandalkan karena menjadi terbarukan (lainnya percakapan). Jadi, baterai untuk kendaraan listrik dan jaringan listrik tidak bahan tambahan persyaratan tetapi saling melengkapi, berbagi, dan seringkali berturut-turut penggunaan bahan yang sama, mengurangi total kebutuhan penambangan.

3. Daur Ulang Baterai

Sel baterai litium yang didaur ulang merupakan sumber nikel, 17–4 litium, dan kobalt 5 kali lebih kaya dibandingkan bijih alaminya. “Menambang” sumber daya daur ulang tersebut sudah berjalan dengan baik sedang berlangsung. Saya baru-baru ini mengunjungi Redwood Materials milik salah satu pendiri Tesla, JB Straubel tanaman di Carson City, Nevada — pendaur ulang baterai terkemuka di AS dan pemimpin dunia yang sedang berkembang. Pabrik tersebut mendaur ulang beberapa muatan semitruk dalam sehari yang berisi baterai yang sangat beragam — segala jenis, bentuk, ukuran, dan kegunaan, sering kali mengumpulkannya dari pengecer besar yang mendapatkannya dari pelanggan. Pabrik tersebut mengubah semua baterai tersebut, dengan efisiensi biasanya lebih dari 90 persen, menjadi bahan murni yang dapat langsung diubah menjadi baterai baru.

Faktanya, Redwood Materials adalah “tambang” ramah lingkungan, tidak berpolusi, dan hampir nol emisi yang memproduksi litium, nikel, kobalt, tembaga, dan grafit, dan akan ada lebih banyak produk yang akan datang. Dengan desain yang brilian, tidak menghasilkan limbah — hanya nilai. Untuk saat ini, ia menggunakan sedikit gas alam untuk memulai pemrosesan berkelanjutan selama beberapa hari dengan bahan bakar elektrolit dan reaksi mandiri. Proses di masa depan juga akan menghilangkan gas tersebut dan menangkap karbon padat.

Pemrosesan tersebut telah menghasilkan uang berdasarkan arus kas bahkan ketika kapasitas meningkat dengan cepat, dengan perkiraan 20,000 ton input per tahun pada tahun 2021. Bahkan pada bulan Mei 2021, pabrik tersebut dapat memulihkan cukup bahan baterai setiap tahun untuk membuat 45,000 paket EV. Peningkatan modal perusahaan sebesar $0.7 miliar pada Juli 2021 mengalami kelebihan permintaan. Pada 14 September 2021, Redwood Materials mengumumkan rencana bagi sebuah pabrik untuk membuat elektroda baterai canggih, semakin banyak dari bahan daur ulang – cukup untuk menghasilkan sekitar satu juta kendaraan listrik per tahun pada tahun 2025, dan kemudian meningkat lima kali lipat pada tahun 2030. Seminggu kemudian, Ford mengumumkan aliansi yang luas untuk mengembangkan rantai pasokan baterai loop tertutup di Amerika Utara. .

Sumber utama baterai daur ulang untuk Redwood Materials adalah Tesla Gigafactory yang berjarak setengah jam berkendara — salah satu desain JB lainnya. Perusahaan ini mengirimkan dua truk penuh setiap hari berupa keluaran dan sisa yang rusak, serta mengambil kembali bahan daur ulang untuk membuat lebih banyak baterai. Kedua tumbuhan tersebut bersimbiosis seperti lumut kerak. Pabrik-pabrik baterai besar lainnya yang berkembang di seluruh dunia secara alami akan mendapatkan mitra-mitra yang menutup lingkaran serupa. Jauh lebih besar namun kemudian (untuk mobil, seringkali setidaknya satu dekade kemudian) pemulihan material akan datang dari baterai yang dijual dan digunakan.

Karena semakin banyak baterai padat energi yang digunakan dalam kendaraan listrik yang lebih efisien bersaing dengan meningkatnya pangsa pasar kendaraan listrik, operasi daur ulang tersebut sudah dapat memasok sepersepuluh bahan yang dibutuhkan untuk armada kendaraan listrik global. Pada waktunya, daur ulang pada akhirnya dapat mencapai kondisi stabil, menghilangkan penambangan lebih lanjut, dengan kapasitas industri yang sangat besar sekitar (kira-kira) 10 TWh/y – karena pemulihan yang lambat mengejar kejenuhan pertumbuhan kendaraan listrik global selama beberapa dekade. Penutupan loop ini dapat mengurangi separuh total COXNUMX kendaraan listrik₂ emisi. Dengan prinsip serupa, Apple bertujuan pada tahun 2030 untuk membuat iPhone yang tidak memerlukan penambangan.

Bukti konsep yang serupa, dalam sistem baterai yang sudah mendekati kejenuhan pasar, adalah bahwa sekitar dua pertiga dari baterai dunia timbal neurotoksik dan 99 persen timbal dalam baterai telah didaur ulang (sekitar setengahnya dengan cara yang benar, dan setengahnya lagi secara informal dan secara berbahaya): di hampir setiap negara bagian AS, Anda tidak dapat membeli baterai otomotif timbal-asam tanpa menyerahkan baterai lama Anda, sehingga loop tersebut hampir tertutup, dan timbal kini jarang ditambang. Kini Redwood Materials dan kompetitornya bertujuan untuk “menambang” sekitar satu miliar baterai bekas yang tidak terpakai di laptop, ponsel, dan lain-lain di rumah-rumah di Amerika Serikat. Baterai ini terbuat dari logam yang biasanya lebih berharga daripada timbal dan sering kali kaya akan kobalt.

Seiring dengan perubahan komposisi baterai, aliran daur ulang tidak langsung menghasilkan kapasitas baterai yang sama. Oleh karena itu, baterai ponsel cerdas umumnya memiliki kandungan kobalt yang tinggi sementara pembuat baterai otomotif dengan cepat mengurangi kandungan kobalt, sehingga mendaur ulang baterai ponsel cerdas menjadi baterai kendaraan listrik akan meningkatkan kapasitas baterai ~30´ lebih banyak per gram kobalt. Untuk membuat paket baterai EV dibutuhkan sekitar 10,000 baterai ponsel cerdas untuk litium tetapi hanya ~300 untuk kobalt. Tesla, antara lain, berencana untuk melakukannya menghapuskan baterainya menggunakan kobalt, namun pembuat yang masih membutuhkan kobalt akan bisa mendapatkannya dari ponsel pintar lama, bukan penambang anak-anak di Kongo.

4. Kimia Baterai Baru

Beberapa perusahaan telah mendemonstrasikan elektrolit baru (seperti Bahan Ionik' polimer padat) yang memungkinkan kimia seperti basa yang dapat diisi ulang. Bahan kimia seperti mangan-seng atau mangan-aluminium, tidak memerlukan bahan yang langka, mahal, beracun, atau mudah terbakar. Dengan demikian, mereka dapat menggantikan litium dan nikel dan kobalt, yang merugikan produsen baterai litium-ion (terutama di Tiongkok). Meskipun rantai nilai baterai litium-ion menunjukkan beberapa aspek “lock-in”, baterai nasional India misi menekankan yang baru kimia (India juga kaya akan mangan dan seng), dan seperti upaya lain di negara lain, mungkin menawarkan keuntungan tersendiri yang dapat mendiversifikasi bahan kimia baterai. Beberapa logam baterai, seperti besi dan aluminium, merupakan salah satu unsur yang paling melimpah di kerak bumi. Elektrolit baru juga bisa aktif baterai lithium-ion dan lithium-sulfur yang aman, cocok bahkan untuk penerbangan.

5. Kendaraan Efisien

Variabel utama yang diabaikan oleh hampir semua analis adalah efisiensi kendaraan yang dialiri listrik. Pengurangan massa, hambatan aerodinamis, dan hambatan gelinding yang menguntungkan — peningkatan pada fisika kendaraan dibandingkan efisiensi powertrain listriknya — dapat mengurangi kapasitas baterai yang diperlukan untuk jarak berkendara yang sama sebesar 2–3´. BMW 2013–22 saya3, misalnya, membayar bodi serat karbon ultraringannya dengan membutuhkan lebih sedikit baterai untuk memindahkan massa yang lebih sedikit, dan dengan manufaktur yang lebih sederhana (dengan sepertiga investasi normal dan air serta setengah energi, ruang, dan waktu normal). Oleh karena itu, proyeksi kapasitas baterai per kendaraan bukanlah angka tetap, melainkan harus diukur berdasarkan efisiensi platform. Berapakah rentang potensial variabel tak terhitung tersebut? Pada bulan September 2021, 2–3′ — dan akhir tahun ini, beberapa kali lipat lagi!

Hal ini karena peningkatan efisiensi lebih lanjut sebesar ~2–4′ ditunjukkan oleh kendaraan generasi baru, yang memasuki pasar pada tahun 2022, dan sangat efisien sehingga dapat menggerakkan siklus perjalanan normal hanya dengan sel surya di permukaan atasnya. (Pengungkapan: Saya menyarankan dua perusahaan tersebut — aptera.us pada 343 mpge dengan dua kursi, dan tahun cahaya.satu pada 251 mpge dengan lima.) Kedua desain dapat ditingkatkan lebih lanjut. Kendaraan seperti ini membutuhkan baterai yang lebih kecil dan infrastruktur pengisian ulang yang lebih sedikit atau bahkan tidak sama sekali. Dalam angka bulat, mereka 2–3´ lebih efisien dibandingkan, katakanlah, Tesla Model 3, salah satu kendaraan listrik paling efisien di pasar. Secara keseluruhan, peningkatan efisiensi ini dapat menggunakan baterai hingga suatu urutan besarnya (kira-kira, sepuluh kali lipat) lebih efisien dibandingkan banyak kendaraan listrik yang ada di pasaran saat ini, dan dapat mengurangi kebutuhan baterainya, semuanya dengan keselamatan tanpa kompromi dan atribut pengemudi yang menarik. Aptera Jangan Pernah Mengisi Daya adalah kendaraan khusus, tetapi perusahaan Belanda Lightyear's adalah kendaraan utama. Keduanya penting, dan akan ada lebih banyak lagi.

6. Mobilitas yang Efisien

Melampaui batasan sistem kendaraan itu sendiri, penggunaan kendaraan yang lebih produktif, model bisnis mobilitas baru, mobilitas virtual (mengirim elektron, meninggalkan inti yang berat di rumah), dan rancangan perkotaan yang lebih baik serta kebijakan publik untuk menyediakan akses yang lebih baik dengan lebih sedikit mengemudi dapat semuanya secara dramatis mempengaruhi kebutuhan otomotif dan mengemudi di masa depan. Misalnya, Sam Deutsch laporan bahwa “Atlanta dan Barcelona memiliki jumlah penduduk dan lama angkutan cepat yang sama, namun emisi karbon Barcelona 83 persen lebih rendah dan jumlah penumpang angkutan massal 565 persen lebih tinggi.”

Seperti 2017 saya analisis ditemukan pada logam tanah jarang, dan hal yang sama juga berlaku pada mineral baterai,

… pengganti yang paling efektif… baik untuk motor maupun baterai, bukanlah bahan eksotik lainnya untuk membuat motor atau baterai; desain mobil yang lebih cerdas membuat motor lebih kecil dan baterai lebih sedikit. Atau, yang lebih baik lagi, bisa berupa model bisnis baru — layanan yang dapat dibagikan seperti Zipcar dan GetAround, operasi mobilitas sebagai layanan seperti Lyft dan Uber, atau kendaraan otonom—yang membawa lebih banyak orang lebih banyak jarak tempuh dengan mobil yang jauh lebih sedikit di biaya yang jauh lebih rendah, yang pada akhirnya menghemat sekitar $10 triliun di seluruh dunia (dalam nilai sekarang bersih).

Opsi-opsi ini mencakup berbagai jenis kendaraan yang berpotensi dihindari, namun sudah terjadi di beberapa pusat perkotaan, layanan ridehailing telah menggantikan jumlah kendaraan yang mereka gunakan beberapa kali lipat. Dengan rata-rata penggunaan mobil pribadi AS sebesar ~4–5 persen, potensinya jelas jauh lebih besar. Gabungkan hal tersebut dengan peluang lain (dengan rentang waktu dan kemungkinan yang sangat beragam) — ~2´ peningkatan kepadatan energi baterai dalam jangka pendek, beberapa kali lipat dalam masa pakai baterai, ~2–8⁺´ dalam efisiensi kendaraan, dan potensi penggantian total material langka dalam kimia baterai — dan perkiraan permintaan yang tinggi terhadap material baterai yang ditambang terlihat sangat tidak pasti, dan berpotensi salah karena banyak faktor.

Kesimpulan

Kita mempunyai lebih banyak cara untuk menghemat bahan-bahan baterai dibandingkan dengan meningkatkan pasokannya, namun peluang-peluang dari sisi permintaan ini banyak diabaikan. Bersaing atau membandingkan semua pilihan-pilihan – dalam perspektif keseluruhan sistem yang menekankan faktor permintaan seperti halnya perluasan pasokan, dan membandingkan atau menyaingi keduanya – akan menghasilkan pilihan, tindakan, dan dampak yang lebih baik, dan membantu menghindari penggelembungan aset, pasokan yang berlebihan, intervensi yang tidak perlu, dan risiko yang tidak diperlukan. . Itu sebabnya diskusi mengenai bahan baterai, atau sumber daya lain yang dianggap langka, harus mempertimbangkan tidak hanya proyeksi permintaan yang sederhana atau tambang yang mengkhawatirkan, namun juga keseluruhan sistem – end-to-end, linear-to-circular, dan sepenuhnya terlibat dengan inovasi, ekonomi, dan berdagang.

Ahli fisika Amory B. Lovins adalah Salah Satu Pendiri dan Ketua Emeritus RMI dan Adjunct Professor Teknik Sipil dan Lingkungan di Universitas Stanford.

© Institut Rocky Mountain 2021. Diterbitkan dengan izin. Awalnya diposting di Outlet RMI.

Menghargai orisinalitas CleanTechnica? Pertimbangkan menjadi seorang Anggota, Pendukung, Teknisi, atau Duta CleanTechnica - atau pelindung Patreon.