배터리 미네랄 문제에 대한 6가지 솔루션

플라톤에 의해 재발행

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자발적이든 조직적이든 최근 기사의 홍수는 재생 에너지, 전기 자동차 및 기후 절약 에너지 전환의 기타 요소를 폄하하려고 합니다. 비판은 그리드 신뢰성에서 토지 사용, 경제에서 형평성에 이르기까지 다양합니다. 가장 광범위하고 상충되는 주장 중 하나는 전 세계의 전기 자동차(EV)에 필요한 모든 배터리를 만들기에 충분한 광물을 찾는 것이 불가능하지는 않더라도 엄청나게 파괴적이라는 것입니다. 이러한 광물에 대한 우려는 실제로 사소하지 않지만 종종 과장됩니다. 여기에서 종종 간과되는 솔루션을 포함할 경우 이러한 솔루션을 관리할 수 있는 방법을 간략하게 설명하겠습니다.

리튬, 니켈 및 코발트와 같은 배터리 재료는 더 넓은 역학의 특별한 경우입니다. 채굴된 재료가 부족해질 것으로 예상되면 가격이 상승합니다. 그 신호는 내가 설명했듯이보다 효율적인 사용, 재활용, 대체, 탐색, 혁신 및 기타 시장 반응을 이끌어냅니다. 희토류. (그 기사의 대체 논문을 설명하면, 질화철 XNUMX년 전 실험적 야망으로 언급했던 초자석이 이제 시장; 그들은 희토류를 포함하지 않으며 이론적으로 최고의 희토류 자석보다 두 배 더 강해질 수 있습니다.)

광물 부족은 예를 들어 석유와 전기 자동차의 경쟁을 줄이거나 투기자들을 위한 상품 또는 광산 주식 가격을 올리기 위해 현실적이거나 과장될 수 있습니다. 일부 광물은 아동 노동, 부패 및 기타 장인의 코발트 채광 남용과 같은 희소성 외에도 정당한 문제를 제기할 수 있습니다. 중국 광석 및 가공 공장에 대한 과도한 의존; 또는 물 사용 및 광업의 환경 피해.

캘리포니아 아몬드를 재배하는 데 사막에서 리튬을 채굴하는 것보다 파운드당 XNUMX배 많은 물이 필요하다는 최근 발언과 같이 실제적인 우려도 맥락이 필요할 수 있습니다. 아몬드도 한 번만 즐길 수 있지만, 한 번 추출된 리튬은 어느 정도 영구적으로 혜택을 계속 제공할 수 있습니다. 물론 재생 가능 전기 자동차는 땅, 공기, 건강 및 기후에 중요한 해를 끼치는 석유 연소 차량을 대체합니다.

배터리 광물 채광에 대한 적절한 우려가 있지만 기존 예측이 종종 과소 평가하거나 무시하여 미래의 채광 수요를 과장하는 강력하고 승법적인 솔루션도 많이 있습니다. 이제 솔루션 공간의 XNUMX개 연속 및 승산 부분을 살펴보겠습니다.

1. 킬로그램당 더 많은 에너지 저장

배터리의 구성, 제조, 설계, 제어 및 재충전을 개선하면 재료 단위당 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 2010년부터 리튬이온 배터리 셀은 거의 세 배 킬로그램당 에너지 저장. 같은 89년 동안 가격이 XNUMX% 하락한 것은 부분적으로는 재료를 더 검소하게 사용했기 때문입니다. 이 XNUMX년 동안 더 큰 이익이 있을 것으로 예상됩니다. 많은 예 중 하나로, 실리콘 양극 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도를 20%까지 높인다고 합니다. RMI 평가하다 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도를 2025배로 높이는 기술은 2020년까지 생산에 들어갈 수 있습니다. Tesla의 XNUMX년 배터리의 날 프레젠테이션 2022년 대량 생산을 위한 주요 개선 사항을 발표했습니다. 따라서 오래된 에너지 밀도를 기반으로 한 예측은 필요한 채굴을 상당히 과장했습니다.

2. 더 오래 지속되고 "환생"됨

배터리는 또한 디자인, 재료, 제조 및 사용이 향상됨에 따라 더 오래 지속됩니다. 새로운 충전 프로필만 있으면 역 수명을 단축시키는 리튬 이동. 백만 마일 배터리가 부상하고 있으므로 수명이 곧 모뎀의 속도만큼 무의미한 문제가 될 수 있습니다. 배터리 수명이 길수록 재료가 지원할 수 있는 차량 거리가 늘어납니다.

EV가 궁극적으로 은퇴(또는 충돌)하면 배터리 팩은 차량을 이동하는 것이 아니라 재생 가능한 전력으로의 세계적인 전환을 지원함으로써 계속해서 큰 가치를 제공하는 귀중한 고정 스토리지로 "환생"할 수 있습니다. 및 배출). 따라서 모빌리티 하우스 (취리히)는 고정 또는 주차된 EV 배터리 팩에서 여러 유럽 국가의 전력망에 1000개의 잠재적인 서비스 중 ~13개를 판매하여 이미 EV 배터리 팩당 ~€21를 벌고 있습니다. (예를 들어, 2018년에 이 회사는 주파수 안정화 서비스를 그리드에 판매할 수 있는 독일 최초의 바퀴 달린 발전소로 EV에 라이선스를 부여했습니다.)

~95%의 시간을 주차하고 종종 유연한 시간에 충전할 수 있는 전 세계 EV의 막대한 저장 공간 및 기타 기능을 조정하는 것은 태양광 발전 및 풍력과 같은 가변 재생 에너지의 급속한 성장을 가능하게 하는 중요하고 수익성 있는 원동력으로 부상하고 있습니다. 유틸리티 규모와 계량기 뒤 저장은 서로 경쟁할 뿐만 아니라 그리드 통합 EV 기반 전기 저장과도 경쟁할 것입니다. 그와 여덟 다른 종류의 무탄소 그리드 유연성 자원은 유틸리티 규모의 배터리가 유용하지만 그리드를 유지하는 데 필수적인 것은 아님을 의미합니다. 신뢰할 수있는 재생 가능하게 되면(또 다른 대화). 따라서 EV 및 그리드용 배터리는 첨가물 요구 사항이지만 보완적이고 공유되며 종종 연속적인 동일한 재료를 사용하여 총 채굴 수요를 줄입니다.

3. 배터리 재활용

재활용된 리튬 배터리 셀은 각각의 천연 광석보다 약 17배 더 풍부한 니켈, 4-5개의 리튬, 10개의 코발트 공급원입니다. 자원 재활용이 이미 잘 되고 있는 '마이닝' 진행 중. 최근 Tesla 공동 창업자인 JB Straubel의 Redwood Materials를 방문했습니다. 식물 미국 네바다주 카슨시티에 소재한 미국 배터리 재활용 업체이자 신흥 세계 리더. 이 공장은 모든 종류, 모양, 크기, 용도 등 엄청나게 다양한 배터리를 하루에 몇 대의 세미트럭 적재량으로 재활용하며, 종종 고객으로부터 배터리를 받는 주요 소매업체에서 수집합니다. 이 공장은 일반적으로 90% 이상의 효율성을 가진 모든 배터리를 새 배터리로 바로 돌아갈 수 있는 순수한 재료로 변환합니다.

실제로 Redwood Materials는 리튬, 니켈, 코발트, 구리 및 흑연을 생산하는 무해한 무공해 거의 제로 배출 "광산"이며 앞으로 더 많은 제품이 출시될 예정입니다. 화려한 디자인으로 낭비가 없고 가치만 있습니다. 현재로서는 약간의 천연 가스를 사용하여 전해질 및 자체 유지 반응에 의해 연료를 공급받는 며칠 동안의 연속 처리를 시작합니다. 미래의 공정은 그 가스도 짜내고 고체 탄소를 포획할 것입니다.

이 처리는 20,000년에 연간 2021 입력 톤으로 예상되는 용량 확장에도 불구하고 이미 현금 흐름 기준으로 돈을 벌고 있습니다. 2021년 45,000월까지 공장은 0.7EV 팩을 구축할 수 있는 충분한 배터리 재료를 매년 회수할 수 있습니다. 2021년 14월 회사의 2021억 달러 자본 조달이 초과 신청되었습니다. XNUMX년 XNUMX월 XNUMX일 레드우드 머티리얼즈는 계획 2025년까지 연간 약 2030만 대의 EV에 충분한 양의 고급 배터리 전극을 만드는 공장을 위해, 그리고 XNUMX년까지 XNUMX배 증가합니다. 일주일 후 Ford는 폐쇄 루프 북미 배터리 공급망을 개발하기 위한 광범위한 제휴를 발표했습니다. .

Redwood Materials의 재활용 가능한 배터리의 주요 공급원은 차로 XNUMX분 거리에 있는 Tesla Gigafactory입니다. JB의 또 다른 디자인입니다. 하루에 두 대의 트럭에 결함이 있는 출력물과 스크랩을 보내고 더 많은 배터리를 만들기 위해 재활용된 재료를 회수합니다. 두 식물은 이끼처럼 공생합니다. 전 세계적으로 성장하는 다른 대형 배터리 공장은 유사한 루프 클로징 파트너를 유기적으로 얻을 것입니다. 훨씬 더 크지만 나중에(자동차의 경우, 종종 적어도 XNUMX년 후) 재료 회수는 판매되고 사용되는 배터리에서 나옵니다.

더 효율적인 EV에 사용되는 에너지 밀도가 높은 배터리가 EV 시장 점유율 증가와 경쟁함에 따라 이러한 재활용 작업은 이미 글로벌 EV 차량에 필요한 재료의 XNUMX분의 XNUMX 수준으로 공급할 수 있습니다. 시간이 지나면 재활용은 궁극적으로 정상 상태를 달성하기 위해 확장될 수 있습니다. 제거 (대략적으로) 10 TWh/y 정도의 매우 큰 산업 용량에서 추가 광업 - 지연된 회복이 수십 년에 걸쳐 포화된 글로벌 EV 성장을 따라잡기 때문입니다. 이 루프 폐쇄는 EV의 총 CO를 약 절반으로 줄일 수 있습니다.₂ 배출. 비슷한 원칙에 따라 Apple은 2030년까지 채굴이 필요 없는 iPhone을 만드는 것을 목표로 하고 있습니다.

이미 시장 포화 상태에 있는 배터리 시스템에서 유사한 개념 증명은 전 세계의 약 XNUMX분의 XNUMX가 신경독성 납 배터리 리드의 99%가 이미 재활용되었습니다(절반은 적절하게, 나머지 절반은 비공식적으로 과 위험하게): 거의 모든 미국 주에서 오래된 배터리를 반납하지 않고 납산 자동차 배터리를 구입할 수 없으므로 해당 루프는 이미 거의 닫혀 있고 납은 이제 거의 채굴되지 않습니다. 이제 Redwood Materials와 경쟁업체는 미국 가정의 오래된 노트북, 휴대폰 등에 사용되지 않은 약 XNUMX억 개의 사용된 배터리를 "채굴"하는 것을 목표로 하고 있습니다.

배터리의 구성이 변화함에 따라 재활용된 스트림은 동일한 배터리 용량으로 직접 변환되지 않습니다. 따라서 스마트폰 배터리는 일반적으로 코발트 함량이 높지만 자동차 배터리 제조업체는 코발트 함량을 빠르게 줄이므로 스마트폰 배터리를 EV 배터리로 재활용하면 코발트 그램당 30' 더 많은 배터리 용량을 활용할 수 있습니다. 따라서 EV 배터리 팩을 만들기 위해서는 리튬의 경우 스마트폰 배터리 10,000개 정도가 필요하지만 코발트의 경우 300개 정도입니다. Tesla는 다음과 같이 계획하고 있습니다. 제거 배터리의 코발트를 사용하지만 여전히 코발트가 필요한 제조업체는 콩고 아동 광부가 아닌 구형 스마트폰에서 코발트를 얻을 수 있습니다.

4. 새로운 배터리 화학

여러 회사에서 새로운 전해질(예: 이온 재료'고체 폴리머) 재충전 가능한 알칼리와 같은 화학 물질을 허용합니다. 망간-아연 또는 망간-알루미늄과 같은 이러한 화학 물질에는 희소성, 고가, 독성 또는 가연성 물질이 필요하지 않습니다. 따라서 리튬을 대체할 수 있습니다. 과 니켈 과 코발트, 불리한 리튬 이온 배터리 생산업체(특히 중국). 그 리튬 이온 배터리 가치 사슬은 "고정"의 일부 측면을 보여주지만, 인도의 국가 배터리는 사명 강조하다 화학 (인도는 망간과 아연이 풍부함) 다른 곳의 다른 노력과 마찬가지로 배터리 화학 물질을 다양화할 수 있는 독특한 이점을 제공할 수 있습니다. 철 및 알루미늄과 같은 일부 배터리 금속은 지각에서 가장 풍부한 원소 중 하나입니다. 새로운 전해질은 또한 가능 항공기에도 적합한 안전한 리튬이온 및 리튬-황 배터리.

5. 효율적인 차량

거의 모든 분석가가 간과하는 주요 변수는 전기화되는 차량의 효율성입니다. 질량, 공기역학적 항력 및 회전 저항의 유리한 감소(전기 파워트레인의 효율성보다는 차량의 물리적 개선)는 동일한 주행 범위에 필요한 배터리 용량을 2-3'만큼 줄일 수 있습니다. BMW의 2013–22 아이3, 예를 들어, 초경량 탄소 섬유 본체는 더 적은 질량을 이동하기 위해 더 적은 수의 배터리가 필요하고 더 간단한 제조(일반 투자 및 물의 2021/2, 정상적인 에너지, 공간 및 시간의 절반)로 비용을 지불했습니다. 따라서 차량당 예상 배터리 용량은 고정된 숫자가 아니라 플랫폼 효율성에 따라 매개변수화되어야 합니다. 계산되지 않은 변수의 잠재적 범위는 얼마입니까? 3년 XNUMX월, XNUMX–XNUMX′ — 그리고 올해 말에는 몇 배 더!

이는 2년에 시장에 진입하는 차세대 차량에 의해 추가로 4-2022'의 효율성 향상이 입증되고 있고 매우 효율적이어서 상부 표면의 태양 전지만으로 정상적인 통근 주기에 전력을 공급할 수 있기 때문입니다. (공개: 나는 그러한 두 회사에 조언합니다. aptera.us 343mpge에서 XNUMX개의 좌석과 라이트 이어.원 251mpge에서 2개.) 두 디자인 모두 더 향상될 수 있습니다. 이러한 차량은 그에 비례하여 더 작은 배터리와 충전 인프라가 필요하지 않거나 전혀 필요하지 않습니다. 반올림하면 Tesla보다 3-XNUMX' 더 효율적입니다. 모델 3, 시장에서 가장 효율적인 EV 중 하나입니다. 이러한 효율성 향상을 함께 사용하면 최대 배터리를 사용할 수 있습니다. 엄청나게 큰 (대략 XNUMX배) 현재 시장에 나와 있는 많은 EV보다 더 효율적이고 그에 따라 배터리 요구량을 줄일 수 있습니다. 압테라 네버차지 틈새 차량이지만 네덜란드 회사인 Lightyear's가 주류입니다. 둘 다 중요하고 더 많이 있을 것입니다.

6. 효율적인 이동성

차량 자체의 시스템 경계를 넘어 차량의 보다 생산적인 사용, 새로운 모빌리티 비즈니스 모델, 가상 모빌리티(전자 전송, 무거운 핵은 집에 남겨두기), 더 적은 운전으로 더 나은 접근성을 제공하기 위한 더 나은 도시 디자인 및 공공 정책은 모두 가능합니다. 자동차와 운전에 대한 미래의 요구에 극적으로 영향을 미칩니다. 예를 들어 Sam Deutsch 보고서 "애틀랜타와 바르셀로나는 비슷한 수의 사람들과 빠른 대중 교통의 길이를 가지고 있지만 바르셀로나의 탄소 배출량은 83% 더 낮고 대중 교통 이용객은 565% 더 높습니다."

나의 2017년으로 분석 희토류에서 발견되며 배터리 광물에서도 마찬가지입니다.

... 모터와 배터리 모두에서 가장 효과적인 대체품은 모터나 배터리를 만들기 위한 또 다른 이국적인 재료가 아닙니다. 모터를 더 작게 만들고 배터리를 더 적게 만드는 더 똑똑한 자동차 디자인입니다. 또는 더 나아가 Zipcar 및 GetAround와 같은 공유 가능한 서비스, Lyft 및 Uber와 같은 MaaS(Mobility-as-a-Service) 운영 또는 자율주행차와 같은 새로운 비즈니스 모델이 될 수 있습니다. 놀랍도록 저렴한 비용, 궁극적으로 전 세계적으로 10조 달러(순 현재 가치)를 절감합니다.

이러한 옵션은 잠재적으로 피할 수 있는 차량에 광범위하게 적용되지만 이미 일부 도시 중심부에서는 승차 공유 서비스가 사용하는 차량의 몇 배를 대체하고 있습니다. 미국 개인 차량의 평균 활용률이 4~5%에 불과하므로 잠재력은 분명히 훨씬 더 큽니다. 이를 다른 기회와 결합(시간 규모 및 가능성이 광범위하게 다양함) — 배터리 에너지 밀도에서 ~2' 단기 이득, 배터리 수명에서 몇 배, ~2–8⁺' 차량 효율성, 배터리 화학에서 희소한 재료의 잠재적 완전한 대체, 채굴된 배터리 재료에 대한 높은 수요 예측은 매우 불확실해 보이며 큰 요인으로 인해 잠재적으로 잘못될 수 있습니다.

결론

공급을 늘리는 것보다 우려되는 배터리 재료를 절약할 수 있는 훨씬 더 많은 방법이 있지만 이러한 수요 측면의 기회는 널리 무시됩니다. 경쟁 또는 비교 모든 공급 확장만큼 수요 레버를 강조하고 비교하거나 경쟁하는 전체 시스템 관점에서 옵션은 더 나은 선택, 조치 및 영향을 제공하고 자산 거품, 과잉 공급, 불필요한 개입 및 불필요한 위험을 방지하는 데 도움이 됩니다. . 그렇기 때문에 배터리 재료 또는 기타 희소 자원에 대한 논의는 단순한 수요 예측이나 걱정스러운 광산뿐만 아니라 종단 간, 선형 대 순환, 혁신, 경제 및 거래.

물리 학자 에이모리 B. 로빈스 RMI의 공동 창립자이자 명예 회장이며 스탠포드 대학의 토목 및 환경 공학 겸임 교수입니다.

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