6 Solutions To Battery Mineral Challenges

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Poplava nedavnih člankov, spontanih ali usklajenih, poskuša diskreditirati obnovljive vire energije, električna vozila in druge elemente podnebno varčnega energetskega prehoda. Kritike segajo od zanesljivosti omrežja do rabe zemljišč, od gospodarnosti do pravičnosti. Med najbolj razširjenimi in nasprotujočimi si trditvami je, da je izjemno uničujoče, če ne nemogoče najti dovolj mineralov za izdelavo vseh baterij, ki jih bo potreboval svetovni vozni park električnih vozil (EV). Te skrbi glede mineralov resda niso nepomembne, ampak so pogosto pretirane. Tukaj bom orisal, kako lahko postanejo obvladljivi, če vključimo rešitve, ki so pogosto spregledane.

Baterijski materiali, kot so litij, nikelj in kobalt, so poseben primer širše dinamike. Ko se pričakuje, da bo izkopani material postal redek, njegova cena naraste. Ta signal izzove bolj učinkovito uporabo, recikliranje, zamenjavo, raziskovanje, inovacije in druge odzive trga, kot sem opisal za redke zemlje. (Ponazoritev nadomestne teze tega članka, železov nitrid supermagneti, ki so jih pred štirimi leti omenili kot eksperimentalno ambicijo, so zdaj prišli do tega Trg; ne vsebujejo redkih zemelj in bi teoretično lahko postali dvakrat močnejši od najboljših magnetov redkih zemelj.)

Pomanjkanje mineralov je lahko resnično ali razglašeno – na primer za zmanjšanje konkurence električnih vozil z nafto ali za zvišanje cen surovin ali rudarskih delnic za špekulante. Nekateri minerali lahko poleg pomanjkanja vzbujajo upravičene pomisleke, kot so delo otrok, korupcija in druge zlorabe pri obrtnem rudarjenju kobalta; neupravičena odvisnost od kitajskih rud in predelovalnih obratov; ali poraba vode in okoljska škoda zaradi rudarjenja.

Resnični pomisleki morda potrebujejo tudi kontekst – kot je nedavna pripomba, katere veljavnost je odvisna od številnih predpostavk, da gojenje kalifornijskih mandljev porabi šestkrat več vode na funt kot pridobivanje litija v puščavi. Tudi mandlje lahko uživate samo enkrat, a ko jih ekstrahirate, lahko litij bolj ali manj trajno zagotavlja koristi. In seveda, električna vozila na obnovljivi pogon izpodrivajo vozila na olje, ki pomembno škodujejo zemlji, zraku, zdravju in podnebju.

Medtem ko obstajajo pravi pomisleki glede rudarjenja baterijskih mineralov, obstaja tudi veliko zmogljivih in multiplikativnih rešitev, ki jih konvencionalne projekcije pogosto podcenjujejo ali ignorirajo, s čimer pretiravajo prihodnje rudarske potrebe. Raziščimo zdaj šest zaporednih in multiplikativnih delov prostora rešitev.

1. Shranjevanje več energije na kilogram

Izboljšanje sestave, proizvodnje, oblikovanja, nadzora in polnjenja baterij lahko shrani veliko več energije na enoto materiala. Od leta 2010 imajo litij-ionske baterijske celice skoraj potrojili njihovo shranjevanje energije na kilogram. Njihov 89-odstotni padec cen v istem desetletju je delno posledica njihove bolj varčne uporabe materialov. V tem desetletju se pričakujejo nadaljnji večji dobički; kot eden od mnogih primerov, silicijeve anode naj bi zvišali energijsko gostoto litij-ionskih baterij za 20 odstotkov. RMI ocenjuje da bi tehnologije, ki skupno podvojijo energijsko gostoto litij-ionskih baterij, lahko začele proizvajati do leta 2025. Teslin dan baterij 2020 predstavitev je napovedal velike izboljšave, ki se zdaj povečujejo za množično proizvodnjo leta 2022. Torej projekcije, ki temeljijo na starih gostotah energije, bistveno precenjujejo potrebno rudarjenje.

2. Trajati dlje, potem pa biti "reinkarniran"

Baterije prav tako zdržijo dlje, saj se izboljšujejo dizajn, materiali, proizvodnja in uporaba. Samo nov polnilni profil lahko nazaj migracija litija, ki zmanjšuje življenje. Pojavljajo se baterije na milijone kilometrov, zato bi lahko njihova življenjska doba kmalu postala tako nepomembna težava kot hitrost vašega modema. Dlje kot zdržijo baterije, več vozil-kilometrov lahko prenesejo njihovi materiali.

Ko se električno vozilo dokončno umakne (ali se zruši), se lahko njegov paket baterij "reinkarnira" v dragoceno stacionarno shrambo, ki še naprej zagotavlja veliko vrednost, ne s premikanjem vozila, temveč s podpiranjem globalnega prehoda na obnovljivo energijo (torej zmanjšanje izkopavanja fosilnih goriv in emisije). torej Hiša mobilnosti (Zürich) že zasluži ~1000 € na baterijo za EV na leto s prodajo ~13 od 21 potencialnih storitev iz stacionarnih ali parkiranih baterij za EV v električno omrežje v več evropskih državah. (Na primer, leta 2018 je podjetje licenciralo električno vozilo kot prvo nemško elektrarno na kolesih, ki lahko omrežju prodaja storitve stabilizacije frekvence.)

Usklajevanje ogromnih zmogljivosti za shranjevanje in drugih zmogljivosti v električnih vozilih po svetu, ki so približno 95 odstotkov časa parkirana in jih je pogosto mogoče ponovno napolniti ob prilagodljivih urah, se pojavlja kot glavni in donosen dejavnik hitre rasti spremenljivih obnovljivih virov energije – sončne fotovoltaike in vetrne energije. Utility-scale in back-the-meter storage ne bosta tekmovala samo drug z drugim, temveč tudi z omrežjem integriranim shranjevanjem električne energije, ki temelji na EV. To in 8 druge vrste brezogljičnih virov za prilagodljivost omrežja pomenijo, da so baterije v električnem obsegu uporabne, vendar niso bistvene za vzdrževanje omrežja zanesljiv ko postane obnovljiv (drugo pogovor). Tako baterije za električna vozila in omrežja niso dodatek zahteve, ampak dopolnjujejo, delijo in pogosto zaporedoma uporaba istih materialov, kar zmanjša skupne potrebe rudarjenja.

3. Recikliranje baterij

Reciklirane litijeve baterijske celice so približno 17-krat bogatejši viri niklja, 4–5 krat litija in 10-krat bogatejši viri kobalta kot njihove naravne rude. »Rudarjenje« tega recikliranega vira že napreduje v teku. Nedavno sem obiskal podjetje Redwood Materials soustanovitelja Tesle JB Straubel rastlina v Carson Cityju, Nevada – vodilni proizvajalec baterij v ZDA in vodilni v svetu. Tovarna reciklira več tovorov poltovornjakov na dan izjemno raznolikih baterij – vseh vrst, oblik, velikosti in uporab, pogosto jih zbira pri večjih trgovcih na drobno, ki jih dobijo od strank. Obrat pretvori vse te baterije, z običajno več kot 90-odstotno učinkovitostjo, v čiste materiale, ki se takoj vrnejo v nove baterije.

Pravzaprav je Redwood Materials benigen, neonesnažujoč »rudnik« s skoraj ničelnimi emisijami, ki proizvaja litij, nikelj, kobalt, baker in grafit, z več izdelki v prihodnosti. Zaradi briljantne zasnove ne proizvaja nobenih odpadkov – samo vrednost. Zaenkrat uporablja malo zemeljskega plina za začetek večdnevne neprekinjene obdelave, ki jo poganjajo elektroliti in samozadostne reakcije. Prihodnji procesi bodo iztisnili tudi ta plin in zajeli trdni ogljik.

Predelava že prinaša denar na podlagi denarnega toka, čeprav se zmogljivosti hitro povečujejo, leta 20,000 pričakujejo 2021 vhodnih ton na leto. Celo do maja 2021 bi lahko obrat vsako leto pridobil dovolj materiala za baterije za izdelavo 45,000 paketov EV. Dvig kapitala podjetja v višini 0.7 milijarde USD julija 2021 je bil presežen. 14. septembra 2021 je podjetje Redwood Materials objavilo načrti za tovarno, ki bo izdelovala napredne baterijske elektrode, vedno bolj iz recikliranih materialov – dovolj za približno milijon električnih vozil na leto do leta 2025, nato petkratno povečanje do leta 2030. Teden dni kasneje je Ford napovedal obsežno zavezništvo za razvoj zaprtozančne severnoameriške dobavne verige baterij .

Glavni vir baterij, ki jih je mogoče reciklirati, za podjetje Redwood Materials je Tesla Gigafactory, oddaljena pol ure vožnje – še ena od zasnov podjetja JB. Dnevno pošlje dva tovornjaka z okvarjeno proizvodnjo in odpadki ter vzame nazaj reciklirane materiale za izdelavo več baterij. Rastlini sta simbiotični, kot lišaj. Druge velike tovarne baterij, ki rastejo po vsem svetu, bodo organsko pridobile podobne partnerje za zapiranje zanke. Veliko večja, a kasnejša (za avtomobile, pogosto vsaj desetletje kasneje) predelava materialov bo potekala iz prodanih in uporabljenih baterij.

Ker energijsko gostejše baterije, ki se uporabljajo v učinkovitejših električnih vozilih, tekmujejo z naraščajočim tržnim deležem električnih vozil, lahko takšne operacije recikliranja že zagotovijo približno desetino materialov, potrebnih za svetovni vozni park električnih vozil. Sčasoma se lahko recikliranje končno poveča, da se doseže stabilno stanje, odstranjevanje nadaljnje rudarjenje, pri zelo veliki industrijski zmogljivosti reda (zelo grobo) 10 TWh/leto – saj zaostalo okrevanje dohiti nasičeno globalno rast EV v nekaj desetletjih. To zapiranje zanke bi lahko približno prepolovilo skupni CO CO električnih vozil₂ emisije. Po podobnih načelih želi Apple do leta 2030 izdelati telefone iPhone, ki ne potrebujejo rudarjenja.

Podoben dokaz koncepta v baterijskem sistemu, ki je že blizu zasičenosti trga, je, da približno dve tretjini svetovnega nevrotoksični svinec in 99 odstotkov akumulatorskega svinca je že recikliranega (približno polovica pravilno, polovica neformalno in nevarno): v skoraj vseh zveznih državah ZDA ne morete kupiti svinčeno-kislinskega avtomobilskega akumulatorja, ne da bi oddali starega, tako da je ta zanka že skoraj sklenjena, svinec pa se zdaj redko koplje. Zdaj si Redwood Materials in njegovi konkurenti prizadevajo "izkopati" približno milijardo izrabljenih baterij, ki neuporabljene ležijo v starih prenosnih računalnikih, mobilnih telefonih itd. v ameriških domovih - baterije, katerih kovine so običajno dragocenejše od svinca in pogosto bogate s kobaltom.

Ker se sestava baterij spreminja, se reciklirani tokovi ne pretvorijo neposredno v enako kapaciteto baterije. Tako imajo baterije pametnih telefonov na splošno visoko vsebnost kobalta, medtem ko izdelovalci avtomobilskih baterij vsebnost kobalta hitro zmanjšujejo, zato recikliranje baterij pametnih telefonov v baterije za električna vozila izkoristi približno 30½ večjo kapaciteto baterije na gram kobalta. Za izdelavo baterijskega sklopa za električna vozila je tako potrebnih približno 10,000 baterij pametnega telefona za litij, vendar le približno 300 za kobalt. Tesla namerava med drugim odpravo njegove baterije uporabljajo kobalt, vendar ga bodo proizvajalci, ki še vedno potrebujejo kobalt, lahko dobili iz starih pametnih telefonov, ne iz kongovskih otrok rudarjev.

4. Nove kemije baterij

Več podjetij je predstavilo nove elektrolite (npr Ionski materiali'trden polimer), ki omogočajo kemikalije, kot so alkalije za ponovno polnjenje. Takšne kemije, kot sta mangan-cink ali mangan-aluminij, ne potrebujejo materialov, ki so redki, dragi, strupeni ali vnetljivi. Tako bi lahko izpodrinili litij in nikelj in kobalta, s čimer so proizvajalci litij-ionskih baterij (zlasti na Kitajskem) v slabšem položaju. Medtem ko ta vrednostna veriga litij-ionskih baterij prikazuje nekatere vidike »zaklenjenosti«, indijska nacionalna baterija Poslanstvo poudarja novo kemije (Indija je prav tako bogata z manganom in cinkom) in tako kot druga prizadevanja drugod lahko ponudi izrazite prednosti, ki bi lahko diverzificirale kemijo baterij. Nekatere baterijske kovine, kot sta železo in aluminij, so med najpogostejšimi elementi v zemeljski skorji. Lahko tudi novi elektroliti omogočajo varne litij-ionske in litij-žveplove baterije primerne tudi za letalstvo.

5. Učinkovita vozila

Glavna spremenljivka, ki jo spregledajo skoraj vsi analitiki, je učinkovitost vozila, ki se elektrificira. Ugodna zmanjšanja mase, aerodinamičnega upora in kotalnega upora – izboljšave v fiziki vozila namesto učinkovitosti njegovega električnega pogonskega sklopa – lahko zmanjšajo zahtevano kapaciteto baterije za isti doseg vožnje za 2–3´. BMW 2013–22 i3 na primer plačal svoje ultralahko ohišje iz ogljikovih vlaken s potrebo po manj baterijah za premikanje manjše mase in s preprostejšo proizvodnjo (z eno tretjino običajne naložbe in vode ter polovico običajne energije, prostora in časa). Predvidena zmogljivost akumulatorja na vozilo torej ni fiksna številka, ampak jo je treba parametrirati glede na učinkovitost platforme. Kakšen je potencialni obseg te neštete spremenljivke? Septembra 2021, 2–3′ — in pozneje letos še večkrat!

To je zato, ker je nova generacija vozil, ki prihajajo na trg leta 2, dokazala nadaljnji ~4–2022′ prirast učinkovitosti in je tako učinkovita, da lahko poganjajo običajen cikel vožnje na delo samo s pomočjo sončnih celic na njihovi zgornji površini. (Razkritje: Svetujem dvema takšnima podjetjema – aptera.us pri 343 mpge z dvema sedežema in svetlobno leto.ena pri 251 mpge s petimi.) Oba dizajna se lahko še izboljšata. Takšna vozila potrebujejo sorazmerno manjše baterije in manj ali nič infrastrukture za polnjenje. V okroglih številkah so 2–3´ bolj učinkoviti kot recimo Tesla Model 3, enega najučinkovitejših električnih vozil na trgu. Skupaj lahko te povečane učinkovitosti porabijo baterije do red velikosti (približno faktor deset) učinkovitejši od mnogih električnih vozil, ki so zdaj na trgu, in bi lahko ustrezno zmanjšal svoje potrebe po baterijah, vse z brezkompromisno varnostjo in privlačnimi vozniškimi lastnostmi. Aptera NeverCharge je nišno vozilo, vendar je nizozemsko podjetje Lightyear's mainstream. Oboje je pomembno in še več jih bo.

6. Učinkovita mobilnost

Onkraj sistemskih meja samega vozila lahko produktivnejša uporaba vozil, novi poslovni modeli mobilnosti, virtualna mobilnost (pošiljajte elektrone, pustite težka jedra doma) ter boljša urbana zasnova in javna politika za zagotavljanje boljšega dostopa z manj vožnje. dramatično vplivajo na prihodnje potrebe po avtomobilih in vožnji. Na primer Sam Deutsch Poročila da imata "Atlanta in Barcelona podobno število ljudi in dolžino hitrega prevoza, vendar so emisije ogljika v Barceloni za 83 odstotkov nižje, število potnikov v množičnem prevozu pa za 565 odstotkov višje."

Kot moj 2017 Analiza ugotovljeno za redke zemlje in enako zdaj velja za baterijske minerale,

… najučinkovitejši nadomestek … tako pri motorjih kot pri baterijah, ni še en eksotičen material za izdelavo motorjev ali baterij; zaradi pametnejše zasnove avtomobila so motorji manjši in baterij manj. Ali, še bolje, to bi lahko bili novi poslovni modeli – delitvene storitve, kot sta Zipcar in GetAround, operacije mobilnosti kot storitve, kot sta Lyft in Uber, ali avtonomna vozila – ki prepeljejo več ljudi več kilometrov v veliko manj avtomobilih. osupljivo nižji stroški, s čimer bi na koncu prihranili približno 10 bilijonov dolarjev po vsem svetu (v neto sedanji vrednosti).

Te možnosti obsegajo širok razpon vozil, ki bi se jim lahko izognili, vendar že v nekaterih mestnih jedrih storitve prevozov izpodrivajo nekajkrat več vozil, kot jih uporabljajo. S približno 4–5-odstotno povprečno uporabo zasebnih avtomobilov v ZDA je potencial očitno veliko večji. Združite to z drugimi priložnostmi (z zelo različnimi časovnimi okviri in verjetnostmi) — ~2´ kratkoročne pridobitve v gostoti energije baterije, večkratna življenjska doba baterije, ~2–8⁺´ v učinkovitosti vozil in potencialno popolno izpodrivanje redkih materialov v kemiji baterij — in visoke napovedi povpraševanja po izkopanih baterijskih materialih so videti zelo negotove in potencialno napačne zaradi velikih dejavnikov.

zaključek

Imamo celo več načinov za varčevanje z zaskrbljujočimi baterijskimi materiali kot za povečanje njihove ponudbe, vendar so te priložnosti na strani povpraševanja pogosto zanemarjene. Tekmovanje ali primerjanje vse možnosti – v perspektivi celotnega sistema, ki poudarja vzvode povpraševanja v enaki meri kot širitve ponudbe, in jih primerja ali tekmuje – bodo prinesle boljše izbire, ukrepe in učinke ter pomagale preprečiti premoženjski mehurčki, prekomerno zgrajeno ponudbo, nepotrebne posege in nepotrebna tveganja . Zato je treba pri razpravah o baterijskih materialih ali katerem koli drugem domnevno redkem viru upoštevati ne le poenostavljene projekcije povpraševanja ali skrb vzbujajoče rudnike, ampak celoten sistem – od konca do konca, linearno do krožnega in v celoti vključen v inovacije, ekonomijo in trgovina.

Fizik Amory B. Lovins je soustanovitelj in zaslužni predsednik RMI ter izredni profesor civilnega in okoljskega inženiringa na univerzi Stanford.

Cenite originalnost CleanTechnice? Razmislite, ali boste postali Član, podpornik, tehnik ali veleposlanik CleanTechnica - ali pokrovitelj naprej Patreon.