6 giải pháp cho những thách thức về khoáng chất trong pin

By Yêu Amory

Một loạt các bài báo gần đây, dù là tự phát hay phối hợp, đều tìm cách làm mất uy tín của năng lượng tái tạo, xe điện và các yếu tố khác của quá trình chuyển đổi năng lượng tiết kiệm khí hậu. Các chỉ trích bao gồm từ độ tin cậy của lưới điện đến sử dụng đất, từ nền kinh tế đến công bằng. Trong số những tuyên bố phổ biến và gây xung đột nhất là nó có sức hủy diệt khủng khiếp nếu không muốn nói là không thể tìm thấy đủ khoáng chất để sản xuất tất cả các loại pin mà một đội xe điện (EV) trên toàn cầu sẽ cần. Những mối quan tâm về khoáng chất này quả thực không hề tầm thường, nhưng thường bị phóng đại. Tôi sẽ phác thảo ở đây cách chúng có thể quản lý được nếu chúng ta đưa vào các giải pháp thường bị bỏ qua.

Các vật liệu pin như lithium, niken và coban là một trường hợp đặc biệt của động lực học rộng hơn. Khi một nguyên liệu được khai thác dự kiến ​​sẽ trở nên khan hiếm, giá của nó sẽ tăng lên. Tín hiệu đó gợi ra việc sử dụng hiệu quả hơn, tái chế, thay thế, thăm dò, đổi mới và các phản ứng thị trường khác, như tôi đã mô tả cho đất hiếm. (Minh họa luận điểm thay thế của bài báo đó, nitrit sắt supermagnets mà nó đã đề cập cách đây XNUMX năm như một tham vọng thử nghiệm nay đã trở thành thị trường; chúng không chứa đất hiếm và về mặt lý thuyết có thể trở nên mạnh gấp đôi nam châm đất hiếm tốt nhất.)

Sự khan hiếm khoáng sản có thể là có thật hoặc được thổi phồng - ví dụ, để giảm sự cạnh tranh của xe điện với dầu, hoặc để tăng giá hàng hóa hoặc cổ phiếu khai thác cho các nhà đầu cơ. Một số khoáng sản có thể gây ra những lo ngại chính đáng bên cạnh sự khan hiếm, chẳng hạn như lao động trẻ em, tham nhũng, và các lạm dụng khác trong khai thác tận thu coban; sự phụ thuộc quá mức vào quặng và các nhà máy chế biến của Trung Quốc; hoặc việc sử dụng nước và hủy hoại môi trường của việc khai thác mỏ.

Những lo ngại thực sự cũng có thể cần bối cảnh - như một nhận xét gần đây, mà giá trị của nó phụ thuộc vào nhiều giả thiết, rằng việc trồng hạnh nhân ở California cần gấp sáu lần lượng nước trên một pound so với khai thác lithium trên sa mạc. Hạnh nhân cũng vậy, bạn chỉ có thể thưởng thức một lần, nhưng sau khi chiết xuất, lithium có thể tiếp tục mang lại lợi ích ít nhiều vĩnh viễn. Và tất nhiên, xe điện chạy bằng năng lượng tái tạo thay thế các phương tiện đốt dầu gây hại nghiêm trọng đến đất đai, không khí, sức khỏe và khí hậu.

Trong khi có những mối quan tâm thích đáng về khai thác khoáng sản pin, cũng có nhiều giải pháp mạnh mẽ và nhân rộng mà các dự báo thông thường thường đánh giá thấp hoặc bỏ qua, phóng đại nhu cầu khai thác trong tương lai. Bây giờ chúng ta hãy khám phá sáu phần kế tiếp và phần nhân của không gian nghiệm.

1. Tích trữ nhiều năng lượng hơn trên mỗi kilôgam

Cải thiện thành phần, sản xuất, thiết kế, điều khiển và sạc lại của pin có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trên mỗi đơn vị vật liệu. Kể từ năm 2010, các tế bào pin lithium-ion đã gần gấp ba lưu trữ năng lượng của họ trên mỗi kg. Giá của họ giảm 89% trong cùng một thập kỷ là do một phần họ sử dụng vật liệu tiết kiệm hơn. Dự kiến ​​sẽ đạt được nhiều lợi nhuận lớn hơn nữa trong thập kỷ này; là một trong nhiều ví dụ, cực dương silicon được cho là sẽ tăng mật độ năng lượng của pin lithium-ion lên 20 phần trăm. RMI đánh giá rằng công nghệ tăng gấp đôi mật độ năng lượng của pin lithium-ion có thể được đưa vào sản xuất vào năm 2025. Ngày pin 2020 của Tesla trình bày đã công bố những cải tiến lớn hiện đang mở rộng quy mô để sản xuất hàng loạt vào năm 2022. Vì vậy, những dự báo dựa trên mật độ năng lượng cũ về cơ bản đã phóng đại quá mức về nhu cầu khai thác.

2. Kéo dài Lâu hơn, sau đó được "Tái sinh"

Pin cũng bền hơn khi thiết kế, vật liệu, chế tạo và sử dụng được cải thiện. Chỉ cần một cấu hình sạc mới có thể đảo ngược sự di chuyển liti làm giảm tuổi thọ. Pin hàng triệu dặm đang nổi lên, vì vậy tuổi thọ của chúng có thể sớm trở thành một vấn đề không liên quan như tốc độ modem của bạn. Pin càng sử dụng lâu, vật liệu của chúng có thể hỗ trợ càng nhiều dặm.

Khi một chiếc xe điện cuối cùng ngừng hoạt động (hoặc gặp sự cố), bộ pin của nó có thể được "tái sinh" thành bộ lưu trữ tĩnh có giá trị tiếp tục mang lại giá trị lớn, không phải bằng cách di chuyển một chiếc xe mà bằng cách hỗ trợ sự chuyển dịch toàn cầu sang năng lượng tái tạo (do đó giảm khai thác nhiên liệu hóa thạch và khí thải). Như vậy Nhà di động (Zürich) đã kiếm được ~ € 1000 cho mỗi bộ pin EV mỗi năm bằng cách bán ~ 13 trong số 21 dịch vụ tiềm năng từ bộ pin EV cố định hoặc đỗ cho lưới điện ở một số quốc gia châu Âu. (Ví dụ: vào năm 2018, công ty đã cấp phép cho EV là nhà máy điện đầu tiên của Đức trên bánh xe, có thể bán dịch vụ ổn định tần số cho lưới điện.)

Điều phối khả năng lưu trữ khổng lồ và các khả năng khác trong xe điện chạy bằng điện trên thế giới, đỗ ~ 95% thời gian và thường có thể sạc lại vào những thời điểm linh hoạt, đang nổi lên như một động lực chính và sinh lợi cho sự phát triển nhanh chóng trong các loại năng lượng tái tạo - quang điện mặt trời và năng lượng gió. Quy mô tiện ích và lưu trữ sau công tơ sẽ cạnh tranh không chỉ với nhau mà còn với lưu trữ điện dựa trên EV, tích hợp lưới điện. Đó và tám các loại tài nguyên linh hoạt lưới điện không có carbon khác có nghĩa là pin quy mô tiện ích rất hữu ích nhưng không cần thiết để duy trì lưới điện đáng tin cậy khi nó trở nên tái tạo (cái khác cuộc trò chuyện). Do đó, pin cho EV và cho lưới không phụ gia yêu cầu nhưng bổ sung, chia sẻ và thường nối tiếp nhau sử dụng các vật liệu giống nhau, giảm tổng nhu cầu khai thác.

3. Tái chế pin

Các tế bào pin lithium tái chế là nguồn giàu niken, 17–4 lần lithium và 5 lần so với các loại quặng tự nhiên tương ứng của chúng. "Khai thác" tài nguyên tái chế đó đã trở nên tốt đẹp đang tiến hành. Gần đây tôi đã đến thăm nhà đồng sáng lập Tesla JB Straubel's Redwood Materials cây tại Thành phố Carson, Nevada - nhà tái chế pin hàng đầu của Hoa Kỳ và là nhà lãnh đạo mới nổi trên thế giới. Nhà máy tái chế một số lượng pin cực kỳ đa dạng mỗi ngày - đủ loại, hình dạng, kích cỡ và mục đích sử dụng, thường thu thập chúng từ các nhà bán lẻ lớn, những người lấy chúng từ khách hàng. Nhà máy chuyển đổi tất cả các loại pin đó, với hiệu suất thường trên 90%, thành vật liệu tinh khiết để trở lại thành pin mới.

Trên thực tế, Redwood Materials là một “mỏ” lành tính, không ô nhiễm, gần như không phát thải, sản xuất lithium, niken, coban, đồng và graphite, với nhiều sản phẩm khác sẽ ra đời. Bằng thiết kế tuyệt vời, nó không tạo ra chất thải - giá trị duy nhất. Hiện tại, nó sử dụng một ít khí tự nhiên để bắt đầu quá trình xử lý liên tục trong vài ngày được cung cấp nhiên liệu bằng các chất điện phân và các phản ứng tự duy trì. Các quá trình trong tương lai cũng sẽ loại bỏ khí đó và thu giữ carbon rắn.

Việc chế biến đã kiếm tiền trên cơ sở dòng tiền ngay cả khi công suất tăng nhanh chóng, với 20,000 tấn đầu vào mỗi năm dự kiến ​​vào năm 2021. Thậm chí đến tháng 2021 năm 45,000, nhà máy có thể thu hồi đủ nguyên liệu pin mỗi năm để chế tạo 0.7 gói EV. Khoản huy động vốn 2021 tỷ đô la của công ty vào tháng 14 năm 2021 đã được đăng ký quá mức. Vào ngày XNUMX tháng XNUMX năm XNUMX, Redwood Materials công bố kế hoạch cho một nhà máy sản xuất điện cực pin tiên tiến, ngày càng tăng từ vật liệu tái chế - đủ cho khoảng một triệu EV mỗi năm vào năm 2025, sau đó tăng lên gấp năm lần vào năm 2030. Một tuần sau, Ford công bố một liên minh mở rộng để phát triển chuỗi cung ứng pin khép kín Bắc Mỹ .

Một nguồn cung cấp pin tái chế chính cho Redwood Materials là Tesla Gigafactory cách đó nửa giờ lái xe - một thiết kế khác của JB. Nó gửi hai xe tải mỗi ngày với sản lượng bị lỗi và phế liệu và lấy lại vật liệu tái chế để sản xuất nhiều pin hơn. Hai loại cây này cộng sinh, giống như một loại địa y. Các nhà máy sản xuất pin lớn khác trên khắp thế giới về cơ bản sẽ có được các đối tác khép kín tương tự. Lớn hơn nhiều nhưng sau này (đối với ô tô, thường là ít nhất một thập kỷ sau) việc thu hồi vật liệu sẽ đến từ pin được bán và sử dụng.

Do ngày càng nhiều pin sử dụng nhiều năng lượng hơn trong xe điện hiệu quả hơn cạnh tranh với thị phần xe điện ngày càng tăng, các hoạt động tái chế như vậy đã có thể cung cấp theo đơn đặt hàng một phần mười nguyên liệu cần thiết cho đội xe điện toàn cầu. Theo thời gian, việc tái chế cuối cùng có thể mở rộng quy mô để đạt được trạng thái ổn định, loại bỏ khai thác thêm, với công suất ngành rất lớn theo thứ tự (rất gần) 10 TWh / năm - khi sự phục hồi chậm bắt kịp với tốc độ tăng trưởng EV toàn cầu bão hòa trong vài thập kỷ. Việc đóng vòng lặp này có thể làm giảm khoảng một nửa tổng CO của EVs₂ khí thải. Theo nguyên tắc tương tự, Apple đặt mục tiêu đến năm 2030 sẽ tạo ra những chiếc iPhone không cần khai thác.

Một bằng chứng tương tự về khái niệm, trong một hệ thống pin đã bão hòa thị trường, là khoảng XNUMX/XNUMX thế giới chì độc thần kinh và 99% lượng chì trong pin đã được tái chế (khoảng một nửa đúng cách, một nửa không chính thức và nguy hiểm): ở hầu hết mọi tiểu bang của Hoa Kỳ, bạn không thể mua pin ô tô chứa axit-chì mà không thay pin cũ của bạn, vì vậy vòng lặp đó đã gần như đóng lại và chì hiện nay hiếm khi được khai thác. Giờ đây, Redwood Materials và các đối thủ cạnh tranh của nó nhắm tới mục tiêu “khai thác” khoảng một tỷ viên pin đã qua sử dụng chưa được sử dụng trong máy tính xách tay, điện thoại di động cũ của gia đình Mỹ - những loại pin có kim loại thường có giá trị hơn chì và thường giàu coban.

Khi thành phần của pin thay đổi, các dòng tái chế không chuyển trực tiếp thành dung lượng pin giống hệt nhau. Do đó, pin điện thoại thông minh thường có hàm lượng coban cao trong khi các nhà sản xuất pin ô tô đang giảm hàm lượng coban nhanh chóng, do đó, việc tái chế pin điện thoại thông minh thành pin EV sẽ tăng thêm ~ 30 'dung lượng pin cho mỗi gam coban. Do đó, để sản xuất một bộ pin EV, cần đặt hàng 10,000 pin điện thoại thông minh cho lithium nhưng chỉ ~ 300 cho coban. Tesla, trong số những người khác, có kế hoạch loại bỏ pin sử dụng coban của nó, nhưng các nhà sản xuất vẫn cần coban sẽ có thể lấy nó từ điện thoại thông minh cũ, không phải thợ mỏ trẻ em Congo.

4. Hóa chất pin tiểu thuyết

Một số công ty đã chứng minh các chất điện giải mới (như Vật liệu ion'polyme rắn) cho phép sử dụng hóa chất như kiềm có thể sạc lại. Các hóa chất như vậy, như mangan-kẽm hoặc mangan-nhôm, không cần nguyên liệu khan hiếm, đắt tiền, độc hại hoặc dễ cháy. Do đó, chúng có thể thay thế liti và kền và coban, gây bất lợi cho các nhà sản xuất pin lithium-ion (đặc biệt là ở Trung Quốc). Trong khi chuỗi giá trị pin lithium-ion đó hiển thị một số khía cạnh của "khóa", pin quốc gia của Ấn Độ nhiệm vụ nhấn mạnh mới hóa chất (Ấn Độ cũng rất giàu mangan và kẽm), và giống như những nỗ lực khác ở những nơi khác, có thể mang lại những lợi thế đặc biệt có thể đa dạng hóa các loại hóa chất pin. Một số kim loại pin, như sắt và nhôm, là một trong những nguyên tố phong phú nhất trong vỏ Trái đất. Chất điện giải mới cũng có thể cho phép pin lithium-ion và lithium-lưu huỳnh an toàn phù hợp ngay cả với ngành hàng không.

5. Phương tiện hiệu quả

Một biến số chính bị hầu hết các nhà phân tích bỏ qua là hiệu quả của phương tiện được điện khí hóa. Khả năng giảm khối lượng, lực cản khí động học và lực cản thuận lợi - những cải tiến về vật lý của xe hơn là hiệu quả của hệ thống truyền lực điện - có thể cắt giảm dung lượng pin cần thiết cho cùng một phạm vi lái xe từ 2–3´. Của BMW 2013–22 i3 chẳng hạn, được trả cho thân máy bằng sợi carbon siêu nhẹ của nó bằng cách cần ít pin hơn để di chuyển ít khối lượng hơn và bằng cách sản xuất đơn giản hơn (với một phần ba đầu tư thông thường và nước và một nửa năng lượng, không gian và thời gian thông thường). Do đó, dung lượng pin dự kiến ​​trên mỗi xe không phải là một con số cố định mà phải được tham số hóa cho hiệu quả của nền tảng. Phạm vi tiềm năng của biến chưa đếm đó là gì? Vào tháng 2021 năm 2, 3–XNUMX ′ - và cuối năm nay, nhiều lần nữa!

Đó là bởi vì hiệu suất tăng thêm ~ 2-4 phút đang được chứng minh bởi một thế hệ phương tiện mới, gia nhập thị trường vào năm 2022 và hiệu quả đến mức chúng có thể cung cấp năng lượng cho một chu kỳ đi lại bình thường chỉ bằng các pin mặt trời trên bề mặt của chúng. (Tiết lộ: Tôi khuyên hai công ty như vậy - aptera.us ở 343 mpge với hai chỗ ngồi, và lightyear.one ở 251 mpge với năm.) Cả hai thiết kế đều có thể cải thiện hơn nữa. Những loại xe như vậy cần pin nhỏ hơn tương ứng và ít hoặc không có cơ sở hạ tầng sạc lại. Nếu tính theo số tròn, chúng hiệu quả hơn 2–3 so với một chiếc Tesla mẫu 3, một trong những xe điện hiệu quả nhất trên thị trường. Kết hợp với nhau, các mức tăng hiệu quả này có thể sử dụng pin lên đến một thứ tự độ lớn (đại khái là một hệ số mười) hiệu quả hơn nhiều xe điện hiện có trên thị trường và có thể giảm nhu cầu pin của chúng tương ứng, tất cả đều có tính an toàn không thỏa hiệp và các thuộc tính người lái hấp dẫn. Aptera không bao giờ phí là một phương tiện thích hợp, nhưng công ty Lightyear's của Hà Lan là chủ đạo. Cả hai đều quan trọng, và sẽ còn nhiều hơn thế nữa.

6. Tính di động hiệu quả

Vượt ra ngoài ranh giới hệ thống của chính phương tiện, việc sử dụng phương tiện hiệu quả hơn, mô hình kinh doanh di động mới, di chuyển ảo (gửi điện tử, để hạt nhân nặng ở nhà), thiết kế đô thị và chính sách công tốt hơn để cung cấp khả năng tiếp cận tốt hơn với ít lái xe hơn có thể ảnh hưởng đáng kể đến nhu cầu về ô tô và lái xe trong tương lai. Ví dụ, Sam Deutsch báo cáo rằng “Atlanta và Barcelona có số lượng người và thời gian vận chuyển nhanh tương tự nhau, nhưng lượng khí thải carbon của Barcelona thấp hơn 83% và lượng người đi phương tiện công cộng cao hơn 565%.”

Như năm 2017 của tôi phân tích được tìm thấy đối với đất hiếm và điều này cũng đúng đối với khoáng chất trong pin,

… Chất thay thế hiệu quả nhất… trong cả động cơ và pin, không phải là một vật liệu kỳ lạ khác để chế tạo động cơ hoặc pin; đó là thiết kế xe hơi thông minh hơn giúp động cơ nhỏ hơn và ít pin hơn. Hoặc, thậm chí tốt hơn, đó có thể là các mô hình kinh doanh mới - các dịch vụ có thể chia sẻ như Zipcar và GetAround, các hoạt động di động như một dịch vụ như Lyft và Uber, hoặc các phương tiện tự động - chở được nhiều người hơn với số lượng xe ít hơn nhiều tại chi phí thấp hơn đáng kinh ngạc, cuối cùng tiết kiệm được 10 nghìn tỷ đô la trên toàn thế giới (tính theo giá trị hiện tại ròng).

Các tùy chọn này trải dài trên nhiều phạm vi đối với các phương tiện có thể tránh được, nhưng đã có ở một số khu trung tâm đô thị, dịch vụ đi chung xe đang dịch chuyển nhiều lần số lượng phương tiện mà họ sử dụng. Với mức sử dụng trung bình khoảng 4–5% xe hơi tư nhân của Mỹ, tiềm năng rõ ràng là lớn hơn rất nhiều. Kết hợp điều đó với các cơ hội khác (với các khoảng thời gian và khả năng xảy ra khác nhau) - ~ 2'Tăng mật độ năng lượng pin trong thời gian ngắn, gấp vài lần tuổi thọ pin, ~ 2–8⁺´ về hiệu suất của phương tiện và khả năng thay thế hoàn toàn các vật liệu khan hiếm trong hóa học pin - và dự báo cao về nhu cầu đối với vật liệu pin được khai thác trông rất không chắc chắn và có khả năng sai do các yếu tố lớn.

Kết luận

Chúng tôi thậm chí còn có nhiều cách để tiết kiệm nguyên liệu pin đáng quan tâm hơn là tăng nguồn cung của chúng, nhưng những cơ hội từ phía cầu này bị bỏ qua rộng rãi. Cạnh tranh hoặc so sánh tất cả các các lựa chọn - trong quan điểm toàn hệ thống nhấn mạnh đòn bẩy cầu ngang với việc mở rộng nguồn cung và so sánh hoặc cạnh tranh chúng - sẽ mang lại những lựa chọn, hành động và tác động tốt hơn, đồng thời giúp tránh bong bóng tài sản, nguồn cung dư thừa, can thiệp không cần thiết và rủi ro không cần thiết . Đó là lý do tại sao các cuộc thảo luận về vật liệu pin, hoặc bất kỳ nguồn tài nguyên nào được cho là khan hiếm khác, phải xem xét không chỉ những dự báo nhu cầu đơn giản hoặc các mỏ đáng lo ngại mà là toàn bộ hệ thống - end-to-end, tuyến tính đến vòng tròn và tham gia đầy đủ vào sự đổi mới, kinh tế và buôn bán.

Vật lý Amory B. Lovins là Người đồng sáng lập và Chủ tịch danh dự của RMI và là Giáo sư hỗ trợ về Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường tại Đại học Stanford.

© 2021 Viện Rocky Mountain. Được xuất bản với sự cho phép. Ban đầu được đăng trên ổ cắm RMI.

 

Đánh giá cao sự độc đáo của CleanTechnica? Xem xét trở thành một Thành viên, Người hỗ trợ, Kỹ thuật viên hoặc Đại sứ của CleanTechnica - hoặc một khách hàng quen trên Patreon.

 

 

---

quảng cáo  

---

---

Nguồn: https://cleantechnica.com/2022/01/28/6-solutions-to-battery-mineral-challenges/