Het beheer van de complexe EV-batterijtoeleveringsketen

De groeiende wereldwijde acceptatie van elektrische voertuigen (EV's) is afhankelijk van een complex en zich ontwikkelend lithium-ion (Li-ion) Batterijtoeleveringsketen, met de winning van basismineralen, de batterijcomponentvervaardiging en de celmontage. Elke stap van dit uitgebreide proces draagt unieke uitdagingen en kansen in zich. 

Een van de grootste uitdagingen in de toeleveringsketen is het waarborgen van voldoende beschikbaarheid van mineralen om te kunnen voldoen aan de groeiende EV-vraag en zich ontwikkelende batterij-eisen. De consumenten-EV's aan het begin van de 21e eeuw waren erg compact, wat hielp bij het maximaliseren van de beperkte actieradius die de meeste Li-ion-batterijpacks toen konden leveren. De 2016 Chevrolet Spark EV bijvoorbeeld was slechts 3,7 m (147 inch) lang met een actieradius van 132 km (82 mijl). De voertuigafmetingen alsmede met de verwachtingen voor de actieradius en de prestaties zijn de laatste tien jaar echter toegenomen, waardoor grotere batterijpacks met gunstige mineralencombinaties en een hogere celcapaciteit per voertuig zijn vereist.

Bovendien krijgt de industrie te maken met de noodzaak om duurzame recyclingmethoden te ontwikkelen, omdat vroege EV's en hun Li-ion-batterijen het einde van de levensduur bereiken. Deze inspanning zijn essentieel voor het minimaliseren van afval en het verminderen van de belasting van onontgonnen hulpbronnen en het milieu waar ze worden gewonnen.

Het gebruik van EV's heeft in de laatste tien jaar wereldwijd een enorme vlucht genomen, waarbij de EV-verkoop een record van 10,5 miljoen in 2023 bereikte, inclusief volledig elektrische auto's en plug-in hybrides. Het lijkt er niet op dat hier verandering in komt - de verwachting is een jaarlijkse EV-groei van 32% tot 2030. Deze cijfers geven de dringende noodzaak aan voor robuuste en duurzame oplossingen voor de batterijtoeleveringsketens.

Zoals de meeste batterijen bestaan EV-batterijen uit zeldzame aardmineralen, zoals lithium, kobalt, nikkel en grafiet. Veel van deze materialen kunnen worden hergebruikt en gerecycled in de circulaire economie, in tegenstelling tot brandstof voor voertuigen met verbrandingsmotor (ICE), die afhankelijk is van het doorlopend onttrekken en verbranden ervan. 

Lithium en andere zeldzame aardmineralen gaan door vele stadia en processen: van de aarde naar de groothandels- en retailmarkten in batterijpacks. Deze stappen omvatten winning, raffinage, batterijproductie, montage en verzending. 

De prijs van lithiumbatterijen weerspiegelt alle tussenstappen en grote EV-batterijen kunnen nogal duur zijn. Zo kost bijvoorbeeld een vervangings-batterijpack voor een Tesla Model S tussen USD $8000 en $10.000 in 2024. 

De reis van de EV-batterij begint in mineraalrijke gebieden waar essentiële zeldzame aardmineralenworden gedolven. De meeste van deze materialen worden gedolven als mineraalrijk erts, geraffineerd, verwerkt, uitgeloogd en gezuiverd. 

Mijnbouwwerkzaamheden kunnen echter bijdragen aan ontbossing, habitatverlies en watervervuiling, tenzij verantwoorde milieubeschermingsmaatregelen worden geïmplementeerd. Bovendien rijst er bezorgdheid door de concentratie zeldzame aardmineralen in een beperkt aantal gebieden over de geopolitieke kwetsbaarheid en potentiële verstoringen van de toeleveringsketens, waardoor belanghebbenden uit de industrie collectief moeten waken over de markt en moeten samenwerken om toekomstige potentiële gevolgen het hoofd te bieden. 

De industrie reageert op deze uitdagingen door inspanningen voor mineralendiversificatie, meer milieuvriendelijke mijnbouwmethoden en vorderingen bij de recyclingmogelijkheden voor batterijmineralen. Naar verwachting zullen deze acties de afhankelijkheid van geopolitiek gevoelige materialen verminderen, ecosystemen in de buurt van mijnen behouden en waterbronnen beschermen. 

Midstream-processen vereisen de omzetting van grondstoffen in samenstellingen van batterijkwaliteit. Deze stappen omvatten het verwerken van lithium naar compounds als hydroxide, carbonaat en zouten, essentieel voor de productie van batterij-elektrodecoatings en de elektrolytlaag tussen de kathode en anode van een batterijcel. 

De kathode van een batterij bepaalt in grote mate de prestaties van een cel. De meeste EV-kathoden zijn combinaties van kobalt en nikkellegeringen, maar er worden experimenten uitgevoerd voor het gebruik van veiligere, efficiëntere en diverse combinaties van metalen. 

Li-ion-anoden bestaan doorgaans uit koperfolie met een coating van grafiet, dat een host-structuur vormt voor lithium-ionen tijdens het laden en ontladen. Deze component is afhankelijk van speciaal grafiet, nauwkeurig op maat geslepen en aangebracht op het koperen oppervlak. 

Deze midstream-procedures worden uitgevoerd op een significante schaal, omdat de meeste EV-batterijen duizenden afzonderlijke cellen bevatten. Het waarborgen van de materiaalzuiverheid en de productiekwaliteit is belangrijk voor veilige en efficiënte batterijen, waarvoor speciale procesinstrumenten en analyzers nodig zijn voor het bewaken en regelen van het productieproces. 

Na de fabricage worden de componenten in cellen samengevoegd, doorgaans in een cilindrische vorm voor EV's. Deze cellen worden dan in grote batterijpacks gemonteerd, waarmee er voor een voertuig voldoende vermogen is om lange afstanden af te leggen. 

Batterijen waarmee EV's lange afstanden kunnen afleggen vormen een belangrijke eis voor de toenemende haalbaarheid van EV's in zowel de consumenten- als de handelsmarkten. Bestuurders van auto's met verbrandingsmotor zijn gewend om na honderden kilometers rijden bij te tanken in het uitgebreide net van tankstations. Vergeleken hiermee zijn er maar weinig laadstations voor elektrische voertuigen die ook nog eens ver uit elkaar liggen; het opladen van een EV-batterij kost op de meeste plaatsen enkele uren. 

Om deze nadelen op te heffen, moet de infrastructuur van oplaadpunten verder worden uitgebreid, met de nadruk op snelladen. Steeds krachtigere batterijen met een grotere energieopslagcapaciteit helpen bij het verzachten van haalbaarheidsproblemen, met name in consumenten- en handelsmarkten, waar voertuigen langere tijd stilstaan en er dus nauwelijks kan worden opgeladen. 

De ontwikkeling van de waterstofbrandstofcel is een andere technische mogelijkheid om het probleem van de oplaadtijd aan te pakken. Maar de vulpunt-infrastructuur blijft ver achter in de meeste gebieden, waardoor waterstof-aangedreven voertuigen op de meeste plaatsen nog geen goed alternatief is. 

Li-ion-batterijen kunnen gevaarlijk zijn vanwege de hierin opgeslagen energie en de hiervoor gebruikte zeer reactieve grondstoffen en chemicaliën, waardoor ze makkelijk kunnen ontbranden als ze worden blootgesteld aan vonken, vervormd zijn of slecht zijn geconstrueerd. Bovendien kunnen er bij de ontleding van de elektrolyt op lithium-basis brandbare gassen als ethyleen, methaan en waterstof vrijkomen. 

Thermische doorslag, wat kan optreden als een batterij te heet wordt als gevolg van beschadiging of onjuist opladen, is een belangrijk nadeel van EV-batterijen. Als dit gebeurt, verdampt de elektrolyt door de toenemende hitte, waardoor de celbehuizing beschadigd kan raken en er brandbare gassen vrijkomen. Door overlading kan er metallisch lithium in de cel worden gevormd, dat interne kortsluitingen kan veroorzaken en kan reageren met omgevingsvocht. Als deze reactie eenmaal is begonnen, houdt deze zichzelf in stand, waardoor het loskoppelen van de voeding dit niet stopt. Helaas kan thermische doorslag moeilijk worden ontdekt totdat er een brand ontstaat, wat de noodzaak voor een hoogwaardige celvervaardiging onderstreept.

Recycling is een belangrijk onderdeel van de EV-batterij-toeleveringsketen geworden, omdat de industrie worstelt met een snelle toename van batterijcomponentafval van afgedankte EV's. Met de toename van de acceptatie van elektrische voertuigen groeit ook de noodzaak voor efficiënte en duurzame recyclingmethoden voor het terugwinnen van waardevolle metalen, het minimaliseren van milieu-effecten en aanvullende winning voor de productie van nieuwe EV-batterijen.

EV-batterijen kunnen op een vergelijkbare manier worden gerecycled als kleinere Li-ion-batterijen via pyrometallurgie en hydrometallurgie. Door hun grootte, gewicht en complexiteit zijn de uitdagingen voor een effectieve terugwinning van mineralen echter vele malen groter. Diverse recyclingfabrieken pakken het probleem op verschillende manieren aan. Sommige kiezen ervoor om EV-batterijpacks handmatig te demonteren met behulp van een team van ervaren technici, terwijl andere hele batterijen eenvoudig shredden als deze zijn ondergedompeld in inerte vloeistof om contact met zuurstof te voorkomen en het risico van ontbranding te verkleinen. 

De doeltreffendheid van de recycling van EV-batterijen wordt snel beter ondanks de uitdagingen, door innovaties als demontage met robots die helpen afstemmen op de praktijk. Batterij-recycling op grote schaal is een steeds belangrijker wordend onderzoeksgebied, omdat het aantal batterijen dat zal moeten worden gerecycled groeit als gevolg van recordaantallen verkochte EV's en het toenemende aantal batterij-energieopslagsystemen. 

Om te kunnen voldoen aan de snel toenemende vraag naar EV-batterijen is een stabiele toeleveringsketen vereist, die winning, vervaardiging, montage en recyclingprocessen omvat. Bovendien moet de industrie een naadloze flow van componenten en materialen in geografisch verspreide gebieden waarborgen om een efficiënte batterijpackproductie in stand te houden. 

De transitie naar elektrische mobiliteit brengt uitdagingen met zich mee, maar is een belangrijk deel van wereldwijde inspanningen om koolstofemissies te reduceren en broeikasgassen in de atmosfeer te beperken. Om de uitdagingen van de EV-toeleveringsketen duurzaam aan te pakken, moeten verantwoorde grondstoffenwinningsmethoden worden toegepast, de milieu-effecten van de winning worden beperkt, de kwaliteit tijdens fabricage en montage streng worden gecontroleerd en moet geïnvesteerd blijven worden in batterijrecyclingtechnologieën.