6 lösningar på batterimineralutmaningar

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

En flod av nya artiklar, vare sig de är spontana eller koordinerade, försöker misskreditera förnybar energi, elfordon och andra delar av den klimatbesparande energiomställningen. Kritiken sträcker sig från nättillförlitlighet till markanvändning, från ekonomi till eget kapital. Bland de mest utbredda och konfliktfyllda påståendena är att det är oerhört destruktivt om inte omöjligt att hitta tillräckligt med mineraler för att tillverka alla batterier som en global flotta av elfordon (EV) kommer att behöva. Dessa mineralproblem är verkligen inte triviala, men är ofta överdrivna. Jag ska här beskriva hur de kan bli hanterbara om vi inkluderar lösningar som ofta förbises.

Batterimaterial som litium, nickel och kobolt är ett specialfall av en bredare dynamik. När ett minerat material förväntas bli ont om stiger dess pris. Den signalen framkallar mer effektiv användning, återvinning, substitution, utforskning, innovation och andra marknadsresponser, som jag har beskrivit för sällsynta jordar. (Belyser artikelns ersättningsuppsats, den järnnitrid supermagneter som det nämnde för fyra år sedan som en experimentell ambition har nu kommit till marknad; de innehåller inga sällsynta jordartsmetaller och skulle teoretiskt sett kunna bli dubbelt så starka som de bästa sällsynta jordartsmetallmagneterna.)

Mineralbrist kan vara verklig eller hajpad – till exempel för att minska elfordons konkurrens med olja eller för att höja priserna på råvaror eller gruvaktier för spekulanter. Vissa mineraler kan ge upphov till legitima bekymmer förutom brist, såsom barnarbete, korruption och andra övergrepp inom hantverksmässig koboltbrytning; onödigt beroende av kinesiska malmer och bearbetningsanläggningar; eller gruvdriftens vattenanvändning och miljöskador.

Verkliga bekymmer kan också behöva sammanhang - som en nyligen anmärkning, vars giltighet beror på många antaganden, att odling av kaliforniska mandel tar sex gånger så mycket vatten per pund som att bryta litium i öknen. Mandel kan också avnjutas en gång, men när den väl extraherats kan litium fortsätta ge fördelar mer eller mindre permanent. Och naturligtvis, förnybart drivna elbilar tränger undan oljeförbrännande fordon som i hög grad skadar mark, luft, hälsa och klimat.

Även om det finns en riktig oro för att bryta batterimineraler, finns det också många kraftfulla och multiplikativa lösningar som konventionella projektioner ofta underskattar eller ignorerar, vilket överdriver framtida gruvbehov. Låt oss nu utforska sex på varandra följande och multiplikativa delar av lösningsutrymmet.

1. Lagra mer energi per kilogram

Att förbättra batteriernas sammansättning, tillverkning, design, kontroller och laddning kan lagra mycket mer energi per materialenhet. Sedan 2010 har litiumjonbattericeller nästan tredubblats deras energilagring per kilogram. Deras prisfall på 89 procent under samma årtionde beror delvis på deras mer sparsamma materialanvändning. Ytterligare stora vinster förväntas under detta decennium; som ett av många exempel, kiselanoder sägs höja litiumjonbatteriers energitäthet med 20 procent. RMI utvärderar att teknologier som kollektivt fördubblar litiumjonbatteriers energitäthet kan komma i produktion 2025. Teslas 2020 batteridag presentation tillkännagav stora förbättringar som nu skalas upp för massproduktion 2022. Så prognoser baserade på gamla energidensiteter överskattar den nödvändiga gruvdriften väsentligt.

2. Vara längre, sedan bli "återfödd"

Batterier håller också längre när design, material, tillverkning och användning förbättras. Bara en ny laddningsprofil kan vända livsreducerande litiummigrering. Millionmile-batterier växer fram, så deras livslängd kan snart bli en lika irrelevant fråga som hastigheten på ditt modem. Ju längre batterierna håller, desto fler fordonsmil kan deras material klara.

När en elbil slutligen går i pension (eller kraschar), kan dess batteripaket "reinkarneras" till värdefull stationär lagring som fortsätter att ge stort värde, inte genom att flytta ett fordon utan genom att stödja den globala övergången till förnybar energi (därav minska utvinningen av fossila bränslen och utsläpp). Således Rörlighetshuset (Zürich) tjänar redan ~1000 € per elbilsbatteri per år genom att sälja ~13 av 21 potentiella tjänster från stationära eller parkerade elbilsbatterier till elnätet i flera europeiska länder. (Till exempel, 2018 licensierade företaget en elbil som Tysklands första kraftverk på hjul, som kan sälja frekvensstabiliseringstjänster till nätet.)

Att samordna den enorma lagringskapaciteten och andra möjligheter i världens elbilar, parkerade ~95 procent av tiden och ofta uppladdningsbara vid flexibla tider, framstår som en viktig och lukrativ möjlighet för snabb tillväxt av variabla förnybara energikällor - solcellsenergi och vindkraft. Utility-skala och bakom-mätaren lagring kommer att konkurrera inte bara med varandra utan också med nätintegrerad, EV-baserad ellagring. Det och åtta andra typer av kolfria nätflexibilitetsresurser innebär att batterier i nyttoskala är användbara men inte nödvändiga för att behålla nätet pålitlig när det blir förnybart (en annan konversation). Det är alltså inte batterier för elbilar och för elnät additiv krav men kompletterande, delade och ofta successiva användning av samma material, vilket minskar det totala gruvbehovet.

3. Återvinning av batterier

Återvunna litiumbattericeller är cirka 17 gånger rikare källor av nickel, 4–5 av litium och 10 av kobolt än deras respektive naturliga malmer. Att "bryta" den återvinningsresursen blir redan bra på gång. Jag besökte nyligen Teslas medgrundare JB Straubels Redwood Materials växt i Carson City, Nevada — USA:s ledande batteriåtervinnare och en framväxande världsledare. Fabriken återvinner flera semitruck-laster om dagen av oerhört olika batterier - alla typer, former, storlekar och användningsområden, och samlar ofta in dem från stora återförsäljare som får dem från kunder. Anläggningen omvandlar alla dessa batterier, med vanligtvis över 90 procent effektivitet, till rena material som går tillbaka till nya batterier.

I själva verket är Redwood Materials en godartad, icke-förorenande, nästan noll-utsläpps "gruva" som producerar litium, nickel, kobolt, koppar och grafit, med fler produkter framöver. Genom sin briljanta design producerar den inget avfall – bara värde. För närvarande använder den lite naturgas för att starta flera dagars kontinuerlig bearbetning som drivs av elektrolyter och självuppehållande reaktioner. Framtida processer kommer att vrida ut den gasen också och fånga upp fast kol.

Bearbetningen tjänar redan pengar på kassaflödesbasis även när kapaciteten snabbt skalas upp, med 20,000 2021 insatston per år som förväntas 2021. Till och med i maj 45,000 skulle anläggningen kunna återvinna tillräckligt med batterimaterial varje år för att bygga 0.7 2021 elbilspaket. Företagets kapitalanskaffning på 14 miljarder dollar i juli 2021 övertecknades. Den XNUMX september XNUMX tillkännagav Redwood Materials planer för en fabrik att tillverka avancerade batterielektroder, alltmer av återvunnet material — tillräckligt för ungefär en miljon elbilar per år till 2025, för att sedan femdubblas till 2030. En vecka senare tillkännagav Ford en expansiv allians för att utveckla en nordamerikansk batteriförsörjningskedja med sluten krets. .

En viktig källa till återvinningsbara batterier för Redwood Materials är Tesla Gigafactory en halvtimmes bilresa bort - en annan av JB:s design. Den skickar två lastbilslass om dagen med defekt produktion och skrot och tar tillbaka återvunnet material för att tillverka fler batterier. De två växterna är symbiotiska, som en lav. Andra stora batterifabriker som går upp runt om i världen kommer organiskt att få liknande loop-stängande partners. Mycket större men senare (för bilar, ofta åtminstone ett decennium senare) materialåtervinning kommer från sålda och använda batterier.

Eftersom mer energitäta batterier som används i mer effektiva elbilar konkurrerar med ökande elbilsmarknadsandelar, kan sådan återvinning redan leverera i storleksordningen en tiondel av det material som behövs för den globala elbilsflottan. Med tiden kan återvinning i slutändan skalas för att uppnå stabilt tillstånd, eliminera ytterligare gruvdrift, med en mycket stor industrikapacitet i storleksordningen (mycket ungefär) 10 TWh/år — eftersom en fördröjd återhämtning hinner ikapp den mättande globala EV-tillväxten under flera decennier. Denna loop-stängning kan ungefär halvera elbilarnas totala CO₂ utsläpp. Enligt liknande principer siktar Apple på att senast 2030 göra iPhones som inte behöver gruvdrift.

Ett analogt proof-of-concept, i ett batterisystem som redan är runt marknadsmättnad, är att ungefär två tredjedelar av världens neurotoxiskt bly och 99 procent av batteriets bly är redan återvunnet (ungefär hälften korrekt, hälften informellt och farligt): i nästan varje delstat i USA kan du inte köpa ett blysyrat bilbatteri utan att vända i ditt gamla, så den slingan är redan nästan sluten, och bly bryts nu sällan. Nu siktar Redwood Materials och dess konkurrenter på att "bryta" ungefär en miljard använda batterier som sitter oanvända i amerikanska hems gamla bärbara datorer, mobiltelefoner, etc. - batterier vars metaller vanligtvis är mer värdefulla än bly och ofta rika på kobolt.

När batteriernas sammansättning förändras, översätts inte återvunna strömmar direkt till identisk batterikapacitet. Således har smartphonebatterier i allmänhet högt koboltinnehåll medan bilbatteritillverkare snabbt minskar kobolthalten, så återvinning av smartphonebatterier till elbilsbatterier utnyttjar ~30´ mer batterikapacitet per gram kobolt. Att göra ett EV-batteripaket tar alltså i storleksordningen 10,000 300 smartphonebatterier för litium men bara ~XNUMX för kobolt. Tesla planerar bland annat att eliminera dess batteriers koboltanvändning, men tillverkare som fortfarande behöver kobolt kommer att kunna få det från gamla smartphones, inte kongolesiska barngruvarbetare.

4. Nya batterikemi

Flera företag har visat nya elektrolyter (som Joniska material' fast polymer) som tillåter kemi som laddningsbara alkalier. Sådan kemi, som mangan-zink eller mangan-aluminium, behöver inga material som är få, kostsamma, giftiga eller brandfarliga. De kunde därmed tränga undan litium och nickel och kobolt, vilket missgynnar producenter av litiumjonbatterier (särskilt i Kina). Medan den litiumjonbatteriets värdekedja visar vissa aspekter av "inlåsning", Indiens nationella batteri uppdrag betonar ny kemi (Indien råkar också vara rikt på mangan och zink) och kan, liksom andra ansträngningar på andra håll, erbjuda distinkta fördelar som kan diversifiera batterikemin. Vissa batterimetaller, som järn och aluminium, är bland de vanligaste elementen i jordskorpan. Nya elektrolyter kan också möjliggöra säkra litiumjon- och litium-svavelbatterier lämpliga även för flyg.

5. Effektiva fordon

En stor variabel som förbises av nästan alla analytiker är effektiviteten hos fordonet som elektrifieras. Fördelaktiga minskningar av massa, aerodynamiskt motstånd och rullmotstånd – förbättringar i fordonets fysik snarare än effektiviteten hos dess elektriska drivlina – kan minska den nödvändiga batterikapaciteten för samma körsträcka med 2–3´. BMW:s 2013–22 i3 till exempel betalat för sin ultralätta kolfiberkropp genom att behöva färre batterier för att flytta mindre massa, och genom enklare tillverkning (med en tredjedel av normal investering och vatten och hälften av normal energi, utrymme och tid). Den beräknade batterikapaciteten per fordon är därför inte ett fast antal utan bör parametriseras till plattformens effektivitet. Vilket är den oräknade variabelns potentiella intervall? I september 2021, 2–3′ — och senare i år, flerfaldigt fler!

Det beror på att ytterligare ~2–4′ effektivitetsvinst demonstreras av en ny generation fordon, som kommer in på marknaden 2022, och så effektiva att de kan driva en normal pendlingscykel bara av solceller på deras övre yta. (Upplysning: Jag ger råd till två sådana företag - aptera.us vid 343 mpge med två platser, och lightyear.one vid 251 mpge med fem.) Båda designerna kan förbättras ytterligare. Sådana fordon behöver proportionellt sett mindre batterier och mindre eller ingen laddningsinfrastruktur. I runda tal är de 2–3´ mer effektiva än, säg, en Tesla Modell 3, en av de mest effektiva elbilarna på marknaden. Tillsammans kan dessa effektivitetsvinster använda batterier upp till en storleksordning (ungefär en faktor tio) effektivare än många elbilar nu på marknaden och kan minska deras batteribehov i motsvarande grad, allt med kompromisslös säkerhet och attraktiva föraregenskaper. Apteran Ladda aldrig är ett nischfordon, men det holländska företaget Lightyear's är mainstream. Båda är viktiga, och det kommer att bli fler.

6. Effektiv rörlighet

Bortom själva fordonets systemgräns kan mer produktiv användning av fordon, nya affärsmodeller för mobilitet, virtuell mobilitet (sända elektroner, lämna tunga kärnor hemma) och bättre stadsdesign och offentlig politik för att ge bättre åtkomst med mindre bilkörning. dramatiskt påverka framtida behov av bilar och körning. Till exempel Sam Deutsch rapporter att "Atlanta och Barcelona har ett liknande antal människor och längden på snabb transitering, men Barcelonas koldioxidutsläpp är 83 procent lägre och kollektivtrafiken är 565 procent högre."

Som min 2017 analys hittas för sällsynta jordartsmetaller, och detsamma gäller nu för batterimineraler,

... den mest effektiva ersättningen ... i både motorer och batterier, är inte ett annat exotiskt material för att tillverka motorer eller batterier; det är smartare bildesign som gör motorerna mindre och batterierna färre. Eller ännu bättre, det kan vara nya affärsmodeller – delbara tjänster som Zipcar och GetAround, mobilitet som en tjänst som Lyft och Uber, eller autonoma fordon – som transporterar fler människor fler mil i mycket färre bilar på förvånansvärt lägre kostnad, vilket slutligen sparar i storleksordningen 10 biljoner dollar över hela världen (i nettonuvärde).

Dessa alternativ sträcker sig över ett brett spektrum av potentiella fordon som undviks, men redan i vissa stadskärnor ersätter åktjänster flera gånger så många fordon som de använder. Med ~4–5 procent genomsnittligt utnyttjande av privata amerikanska bilar är potentialen klart mycket större. Kombinera det med andra möjligheter (med mycket varierande tidsskalor och sannolikheter) — ~2´ kortsiktiga vinster i batteritäthet, mångfaldig batteritid, ~2–8⁺´ i fordonseffektivitet och potentiellt fullständig förskjutning av knappa material inom batterikemin – och höga prognoser för efterfrågan på utvunna batterimaterial ser mycket osäkra ut och potentiellt fel av stora faktorer.

Slutsats

Vi har ännu fler sätt att spara batterimaterial av oro än att öka deras utbud, men dessa möjligheter på efterfrågesidan ignoreras allmänt. Tävla eller jämföra alla alternativ – i ett helsystemperspektiv som betonar efterfrågehävstänger lika mycket som utbudsutvidgningar, och jämför eller konkurrerar med dem – kommer att ge bättre val, åtgärder och effekter och hjälpa till att undvika tillgångsbubblor, överbyggt utbud, onödiga ingrepp och onödiga risker . Det är därför diskussioner om batterimaterial, eller någon annan förmodad knapp resurs, inte bara måste ta hänsyn till förenklade efterfrågeprognoser eller oroande gruvor utan hela systemet – från slut till ände, linjärt till cirkulärt och fullt engagerat med innovation, ekonomi och handel.

Fysiker Amory B. Lovins är medgrundare och ordförande emeritus för RMI och adjungerad professor i civil- och miljöteknik vid Stanford University.

Uppskattar CleanTechnicas originalitet? Överväg att bli en CleanTechnica-medlem, supporter, tekniker eller ambassadör - eller en beskyddare på Patreon.