バッテリーミネラルの課題に対する6つの解決策

プラトン再発行

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最近の記事の洪水は、自然発生的であるか組織的であるかにかかわらず、再生可能エネルギー、電気自動車、および気候変動を抑えるエネルギー移行のその他の要素の信用を傷つけようとしています。批判は、送電網の信頼性から土地利用、経済性から公平性にまで及びます。最も広範で論争の的となっている主張の XNUMX つは、電気自動車 (EV) の世界的なフリートが必要とするすべてのバッテリーを作るのに十分な鉱物を見つけることは、不可能ではないにしても、非常に破壊的であるというものです。これらの鉱物に関する懸念は確かに些細なことではありませんが、しばしば誇張されています. ここでは、見過ごされがちなソリューションを含めると、それらがどのように管理可能になるかについて概説します。

リチウム、ニッケル、コバルトなどのバッテリー材料は、より広範なダイナミクスの特殊なケースです。採掘された素材が不足すると予想される場合、その価格は上昇します。そのシグナルは、私が説明したように、より効率的な使用、リサイクル、代替、探索、革新、およびその他の市場の反応を引き出します。レアアース. (その記事の代替テーゼを説明すると、窒化鉄 XNUMX 年前に実験的な野望として言及された超磁性体が、現在実現しています。市場; 希土類を含まず、理論的には最高の希土類磁石の XNUMX 倍の強度になる可能性があります。)

鉱物資源の不足は、現実に起きていることもあれば、誇大宣伝されていることもあります。たとえば、電気自動車の石油との競争を減らしたり、投機家のために商品や鉱業株の価格を上げたりするためです。一部の鉱物は、児童労働、腐敗、および職人によるコバルト採掘におけるその他の虐待など、希少性以外に正当な懸念を引き起こす可能性があります。中国の鉱石および加工工場への過度の依存。または採掘による水の使用と環境へのダメージ。

本当の懸念には文脈も必要かもしれません。最近の発言のように、その妥当性は多くの仮定に依存しています。たとえば、カリフォルニアアーモンドの栽培には、砂漠でリチウムを採掘する場合の XNUMX ポンドあたり XNUMX 倍の水が必要です。アーモンドも一度しか食べられませんが、一度抽出されると、リチウムは多かれ少なかれ永続的にメリットを提供し続けることができます. そしてもちろん、再生可能エネルギーを動力源とする EV は、土地、空気、健康、気候に重大な悪影響を及ぼす石油燃焼車に取って代わります。

バッテリー鉱物の採掘には適切な懸念がありますが、従来の予測ではしばしば過小評価または無視され、将来の採掘の必要性が誇張されている多くの強力で相乗的な解決策もあります。それでは、解空間の XNUMX つの連続する乗法部分を調べてみましょう。

1. キログラムあたりのエネルギー貯蔵量を増やす

バッテリーの構成、製造、設計、制御、および再充電を改善することで、材料単位あたりのエネルギーをはるかに多く蓄えることができます。 2010 年以来、リチウムイオン電池セルはほぼXNUMX倍キログラムあたりのエネルギー貯蔵。同じ 89 年間で価格が XNUMX% 下落した理由の XNUMX つは、材料の使用がより倹約されたことにある。この XNUMX 年間でさらに大きな成果が期待されます。多くの例のXNUMXつとして、シリコン陽極リチウムイオン電池のエネルギー密度を 20% 上げると言われています。 RMI 評価する 2025 年までにリチウムイオンバッテリーのエネルギー密度を 2020 倍にする技術が生産に入る可能性があることを示唆しています。Tesla の XNUMX Battery Day プレゼンテーションは、2022 年の大量生産に向けて現在スケールアップしている主要な改善を発表しました。そのため、古いエネルギー密度に基づく予測は、必要な採掘を大幅に誇張しています。

2. 長く続いて「転生」

設計、材料、製造、および使用が改善されるにつれて、バッテリーも長持ちします。新しい充電プロファイルだけで逆寿命を縮めるリチウム移行。数百万マイルのバッテリーが出現しているため、その寿命はすぐにモデムの速度と同じくらい重要な問題になる可能性があります. バッテリーが長持ちするほど、その素材がサポートできる走行距離が長くなります。

EV が最終的に引退する (またはクラッシュする) 場合、そのバッテリーパックは、車両を動かすのではなく、再生可能エネルギーへの世界的なシフトをサポートすることによって、大きな価値を提供し続ける貴重な固定ストレージに「生まれ変わる」ことができます (したがって、化石燃料の採掘を削減します)および排出量）。したがってモビリティハウス (チューリッヒ) は、固定または駐車中の EV バッテリーパックからヨーロッパのいくつかの国の電力網に 1000 の潜在的なサービスの ~ 13 を販売することにより、EV バッテリーパックあたり年間 21 ユーロの収益を上げています。 (たとえば、2018 年に同社は、周波数安定化サービスをグリッドに販売できる、ドイツ初の車輪付き発電所として EV のライセンスを取得しました。)

世界の EV の膨大なストレージやその他の機能を調整することは、約 95% の時間駐車し、多くの場合柔軟な時間に充電可能であり、可変再生可能エネルギー (太陽光発電や風力発電) の急速な成長を可能にする主要かつ収益性の高い手段として浮上しています。ユーティリティスケールおよびメーター外のストレージは、相互に競合するだけでなく、グリッド統合型の EV ベースの電力ストレージとも競合します。それと 8 他の種類のカーボンフリーグリッドの柔軟性リソースは、実用規模のバッテリーが有用であることを意味しますが、グリッドを維持するために不可欠ではありません. 信頼性のある再生可能になるにつれて（別の会話）。したがって、EV用およびグリッド用のバッテリーはそうではありません 添加剤 要件ですが 補完的、共有的、しばしば連続的 同じ材料を使用して、総採掘の必要性を減らします。

3. 電池のリサイクル

リサイクルされたリチウム電池セルは、それぞれの天然鉱石に比べて、ニッケルが約 17 倍、リチウムが 4 ～ 5 倍、コバルトが 10 倍豊富に含まれています。資源循環型の「マイニング」はすでに定着しつつある進行中の. 私は最近、テスラの共同創設者である JB Straubel の Redwood Materials を訪問しました。工場ネバダ州カーソンシティで、米国の大手バッテリーリサイクラーであり、新たな世界的リーダーです。この工場では、非常に多様な種類、形状、サイズ、用途のバッテリーを 90 日に数台のトラックトラックに積み込んでリサイクルしています。この工場では、通常 XNUMX% 以上の効率でこれらすべてのバッテリーを純粋な材料に変換し、それを新しいバッテリーに戻します。

実際、レッドウッドマテリアルズは、リチウム、ニッケル、コバルト、銅、グラファイトを生産する良性で無公害のほぼゼロ排出の「鉱山」であり、今後さらに多くの製品が登場します。優れた設計により、無駄をなくし、価値だけを生み出します。今のところ、少量の天然ガスを使用して、電解質と自立反応を燃料とする数日間の連続処理を開始します。将来のプロセスでは、そのガスも絞り出され、固体炭素が捕捉されます。

20,000 年には年間 2021 トンのインプットが見込まれており、処理能力が急速に拡大しても、処理はすでにキャッシュフローベースで収益を上げています。2021 年 45,000 月までに、工場は毎年 0.7 個の EV パックを製造するのに十分なバッテリー材料を回収できます。 2021 年 14 月の同社の 2021 億ドルの資本調達は、応募額を超えていました。 XNUMX 年 XNUMX 月 XNUMX 日、Redwood Materials は発表しました。プランこれは、2025 年までに年間約 2030 万台の EV に十分な量であり、XNUMX 年までには XNUMX 倍になります。XNUMX 週間後、フォードはクローズドループの北米バッテリーサプライチェーンを開発するための広範な提携を発表しました。 .

Redwood Materials のリサイクル可能なバッテリーの主な供給源は、車で XNUMX 分の距離にあるテスラギガファクトリーです。これも JB の設計の XNUMX つです。 XNUMX 日に XNUMX 台のトラックで不良品とスクラップを送り、リサイクルされた材料を回収してより多くのバッテリーを製造しています。 XNUMX つの植物は地衣類のように共生しています。世界中で建設中の他の大規模なバッテリー工場は、有機的に同様のループクロージングパートナーを獲得するでしょう。はるかに大規模ですが、後で（自動車の場合、多くの場合、少なくとも XNUMX 年後）、販売および使用されたバッテリーからの材料回収が行われます。

より効率的な EV で使用されるよりエネルギー密度の高いバッテリーが、EV 市場シェアの上昇と競合するため、このようなリサイクル作業は、世界の EV フリートに必要な材料の XNUMX 分の XNUMX をすでに供給できます。やがて、リサイクルは最終的には定常状態を達成するように拡張できます。排除数十年にわたる世界的な EV 成長の飽和に遅れた回復が追いつくため、（非常に大まかに）10 TWh/y のオーダーの非常に大きな産業容量で、さらなる採掘が行われます。このループの閉鎖により、EV の総 COXNUMX が約半分になる可能性があります₂ 排出量。同様の原則に基づき、Apple は 2030 年までにマイニングを必要としない iPhone を製造することを目指しています。

同様の概念実証では、すでに市場が飽和状態にあるバッテリーシステムで、世界の約 XNUMX 分の XNUMX の神経毒鉛バッテリーの鉛の 99% はすでにリサイクルされています (約半分は適切に、半分は非公式に) & 危険な): ほとんどすべての米国の州では、古いバッテリーを返却しないと鉛酸自動車用バッテリーを購入できないため、ループはすでにほぼ閉じられており、現在では鉛が採掘されることはめったにありません。現在、レッドウッドマテリアルズとその競合他社は、米国の家庭の古いラップトップや携帯電話などで使用されずに放置されている約 XNUMX 億個の使用済みバッテリーを「採掘」することを目指しています。バッテリーの金属は通常、鉛よりも価値があり、多くの場合コバルトが豊富です。

電池の構成が変化するにつれて、リサイクルされたストリームが同じ電池容量に直接変換されるわけではありません。したがって、スマートフォンのバッテリーは一般的にコバルト含有量が高く、自動車用バッテリーメーカーはコバルト含有量を急速に削減しているため、スマートフォンのバッテリーを EV バッテリーにリサイクルすると、コバルト 30 グラムあたり最大 10,000 倍のバッテリー容量を活用できます。したがって、EV バッテリーパックを作るには、リチウムの場合は 300 個のスマートフォンのバッテリーが必要ですが、コバルトの場合は約 XNUMX 個しか必要ありません。とりわけテスラは、 排除する その電池はコバルトを使用しているが、まだコバルトを必要としているメーカーは、コンゴの子供の鉱山労働者ではなく、古いスマートフォンから入手できるようになるだろう。

4. 新しい電池化学

いくつかの企業が新しい電解質（イオン性材料再充電可能なアルカリのような化学反応を可能にする固体ポリマー)。マンガン亜鉛やマンガンアルミニウムのような化学物質は、希少で、高価で、有毒で、可燃性の材料を必要としません。したがって、それらはリチウムを置き換えることができます & ニッケル & コバルトは、リチウムイオン電池の不利な生産者（特に中国）です。そのリチウムイオン電池のバリューチェーンには「ロックイン」の側面が見られる一方で、インドの国営電池はミッション強調新製品化学（インドはたまたまマンガンと亜鉛も豊富です）、他の場所での他の取り組みと同様に、バッテリーの化学的性質を多様化できる独特の利点を提供する可能性があります. 鉄やアルミニウムなどの一部のバッテリー金属は、地球の地殻で最も豊富な元素の XNUMX つです。新しい電解質も enable 航空にも適した安全なリチウムイオンおよびリチウム硫黄電池。

5. 効率的な車両

ほぼすべてのアナリストが見落としている主要な変数は、電動化されている車両の効率です。質量、空力抵抗、転がり抵抗の有利な削減 — 電動パワートレインの効率ではなく、車両の物理特性の改善 — により、同じ走行距離で必要なバッテリー容量を 2 ～ 3 フィート削減できます。 BMWの2013–22 i3、 たとえば、超軽量のカーボンファイバーボディの代償として、移動する質量を減らすために必要なバッテリーの数を減らし、製造を簡素化しました (通常の 2021 分の 2 の投資と水で、通常の半分のエネルギー、スペース、時間で済みます)。したがって、車両ごとの予測されるバッテリー容量は固定数ではなく、プラットフォーム効率に合わせてパラメーター化する必要があります。その数えられない変数の潜在的な範囲は何ですか? 3 年 XNUMX 月には XNUMX ～ XNUMX 分、今年後半にはさらに数倍に！

これは、2 年に市場に投入される新世代の車両によってさらに約 4 ～ 2022 フィートの効率向上が実証されており、非常に効率的であるため、上面の太陽電池だけで通常の通勤サイクルに電力を供給することができるためです。（開示：私はそのようなXNUMXつの会社に助言します— aptera.us 343 mpge で XNUMX 席、および lightyear.one 251 mpge で 2.) どちらのデザインもさらに改善できます。このような車両は、それに比例して小型のバッテリーを必要とし、再充電インフラストラクチャーをほとんど、またはまったく必要としません。概数では、たとえばテスラよりも 3 ～ XNUMX インチ効率的です。 モデル3、市場で最も効率的な EV の XNUMX つです。一緒に、これらの効率の向上により、最大でバッテリーを使用できます 桁違い 現在市場に出回っている多くの EV よりも (およそ XNUMX 倍) 効率的であり、妥協のない安全性と魅力的なドライバーの属性を備えているため、それに応じてバッテリーの必要性を減らすことができます。アプテラ ネバーチャージ はニッチな乗り物ですが、オランダのライトイヤー社が主流です。どちらも重要であり、さらに多くのことがあります。

6. 効率的なモビリティ

車両自体のシステム境界を越えて、車両のより生産的な使用、新しいモビリティビジネスモデル、バーチャルモビリティ (電子を送り、重核を自宅に残す)、より少ない運転でより良いアクセスを提供するためのより良い都市設計と公共政策のすべてが可能になります。自動車と運転の将来のニーズに劇的に影響します。たとえば、サム・ドイチュレポート「アトランタとバルセロナは人口と高速輸送の長さが似ていますが、バルセロナの二酸化炭素排出量は 83% 低く、公共交通機関の利用者数は 565% 高いです。」

私の2017年として分析レアアースで発見され、同じことがバッテリー鉱物にも当てはまります。

…最も効果的な代替品…モーターとバッテリーの両方で、モーターやバッテリーを作るための別のエキゾチックな材料ではありません。モーターを小型化し、バッテリーを少なくするのは、よりスマートな自動車設計です。あるいは、Zipcar や GetAround などの共有可能なサービス、Lyft や Uber などのサービスとしてのモビリティ、自動運転車などの新しいビジネスモデルが、はるかに少ない車でより多くの人をより多くの距離まで運ぶことができます。驚くほど低コスト、最終的には世界中で約 10 兆ドル (正味現在価値) を節約できます。

これらのオプションは、潜在的に回避される車両の広い範囲に及びますが、すでに一部の都市コアでは、ライドヘイリングサービスが、使用する車両の数倍の数の車両を置き換えています。米国の自家用車の平均利用率は約 4 ～ 5% であるため、その可能性は明らかにはるかに大きくなります。それを他の機会と組み合わせます (タイムスケールと可能性は大きく異なります) — バッテリーエネルギー密度の短期的な増加は ~2´、バッテリー寿命は数倍、~2–8⁺' 車両効率、およびバッテリー化学における希少材料の完全な置換の可能性 — 採掘されたバッテリー材料の需要の高い予測は、非常に不確実であり、大きな要因によって間違っている可能性があります。

まとめ

懸念されるバッテリー材料を節約する方法は、供給を増やすよりもはるかに多くありますが、これらの需要側の機会は広く無視されています。競合または比較をオプション — 供給の拡大と同様に需要のレバーを強調し、それらを比較または競合するシステム全体の観点から — は、より良い選択、行動、および影響をもたらし、資産バブル、過剰な供給、不必要な介入、および不必要なリスクを回避するのに役立ちます. そのため、電池材料やその他の希少と思われるリソースに関する議論では、単純な需要予測や懸念される鉱山だけでなく、システム全体を考慮する必要があります。エンドツーエンド、直線から循環、イノベーション、経済、およびトレード。

物理学者 エイモリー・B・ロビンス RMI の共同創設者兼名誉会長であり、スタンフォード大学の土木環境工学の非常勤教授でもあります。

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