Versterken van de batterijwaardeketen

De batterij-producerende industrie is de afgelopen decennia enorm gegroeid, wat is toe te schrijven aan het toenemend belang van draagbaarheid en flexibiliteit in het dagelijkse leven. De moderne lithium-ion (Li-ion) -batterij begon klein, in eerste instantie ontwikkeld voor gebruik in consumentenelektronica de jaren '90, en is nu een belangrijk product in mobiele telefoons, laptops en meer.

Martin Eberhard, mede-oprichter van Tesla, zette een belangrijke stap voorwaarts door meerdere lithiumbatterijen samen te voegen om elektrische voertuigen (EV's) aan te drijven. Hij besefte dat de technieken die werden gebruikt voor het produceren van laptop-batterijen konden worden aangepast om deze veel grotere batterijen rendabel te vervaardigen. Uiteindelijk hebben Tesla en andere EV-producenten dit geïntegreerd in hun bestaande batterijtoeleveringsketen. De Tesla Roadster, het vlaggeschip van 2008, werd aangedreven door 6831 Li-ion-laptopbatterijen, die de auto een actieradius van 400 km (250 mijl) en een topsnelheid van ruim 200 km/h (130 mph) gaven.

Buiten EV's zorgen de klimaatproblemen voor een transitie richting duurzame elektriciteitsopwekking, zoals wind- en zonnekracht alsmede aardwarmte. Batterijopslag is essentieel om de discontinuïteit van deze energiebronnen te kunnen opvangen. Moderne lithiumbatterijen worden ook steeds vaker gebruikt als continue voeding voor microgrids, waarbij het traditionele elektriciteitsnet wordt aangevuld. Dit is met name belangrijk voor datacenters en andere toepassingen met redundante elektriciteitseisen.

Lithium gaat door vele stadia en processen op weg van de aarde naar de groothandels- en retailmarkten, waaronder winning, raffinage, batterijproductie en verzending. Daarom weerspiegelt de prijs van lithiumbatterijen alle tussenstappen. Grote lithiumbatterijen kunnen nogal duur zijn. Zo kost bijvoorbeeld een vervangings-batterijpack voor een Tesla Model S tussen USD $8000 en $10.000.

De batterijwaardeketen bestaat uit vier hoofdgedeelten:

1. Upstream: mijnbouwers delven lithium, kobalt, mangaan, fosfaten, nikkel en grafiet voor gebruik in de Li-ion-batterijproductie.
2. Midstream: verwerkers en raffineerders produceren kathode- en anode-actieve componenten, en grondstoffenhandelaren kopen en verkopen deze actieve componenten aan bedrijven die batterijcellen monteren.
3. Downstream: batterijproducenten maken van cellen modules, die dan worden verkocht aan groothandels of wederverkopers.
4. Einde levensduur: batterijrecyclers ontleden gebruikte batterijen in afzonderlijke componenten die worden hergebruikt voor het maken van nieuwe batterijen met behulp van uiteenlopende methoden.

Lithium voor commercieel gebruik wordt voornamelijk gewonnen Australië, Argentinië, Bolivia en Chili. In Australië worden open spodumeengroeven gebruikt om de meeste lithiumerts te verwerken. De Greenbushes-mijn in West-Australië is de grootste hard-rots-lithiummijn ter wereld, waar jaarlijks ter waarde van ca. USD 5,6 miljard lithiumspodumeen wordt geproduceerd.

In Noord- en Zuid-Amerika wordt lithium gewonnen uit de Salar-pekel die te vinden is onder een oude zoutvlakte. Producenten boren in deze zoute watervoerende lagen en pompen dan vloeistof in de droge bedden, waar het meeste verdampt en lithiumzouten achterblijven. Andere mineralen zoals broom kunnen ook worden afgescheiden uit de concentraten in het drogende bed.

Nadat de grondstoffen zijn gewonnen, moeten ze worden geraffineerd in bruikbare formaten. Volgens Bloomberg NEF zijn China, Zuid-Korea en Japan de belangrijkste batterijproducenten ter wereld. China domineert momenteel de wereldwijde toeleveringsketen voor Li-ion-batterijen en produceert 80% van alle Li-ion-batterijen, 70% van de kathoden en 80% van de anoden. Bovendien verwerkt en raffineert China meer dan de helft van het lithium, fosfaat, kobalt en grafiet van de wereld.

De runners-up, Zuid-Korea en Japan, zijn verantwoordelijk voor een aanzienlijk kleiner deel van de batterijproductiie. Zuid-Korea produceert 15% van de kathode-elektroden en 3% van de anode-elektroden van de wereld, terwijl Japan goed is voor 14% respectievelijk 11%.

Bij het raffinageproces van het lithiumerts worden procedures uit de cementproductie gebruikt, waaronder malen, calcinatie, walsen en sulfatering. Uitloging en filtering worden gebruikt om andere mineralen, zoals alumina, mangaan en calcium te verwijderen. Dit proces gaat verder totdat lithiumcarbonaat van batterijkwaliteit wordt verkregen.

Voor het vervaardigen van een batterij moet een volledige batterijcel en uiteindelijk een eenheid van cellen worden gebouwd. De belangrijkste componenten zijn kathode, anode en elektrolyt. Li-ion-kathoden worden voornamelijk gemaakt van lithium en anoden van koolstof. Elke cel bevat een separator en behuizing met de batterijmaterialen, die wordt gevuld met een geleidende elektrolyt.

De anode en kathode worden gemaakt van een slurry die bestaat uit actief materiaal, geleidende stoffen en een bindmiddel. De slurry wordt dan aangebracht op een film- of foliesubstraat. De folie wordt gesneden, bijgewerkt en gekalanderd, geperst tussen twee walsen om in de batterij te passen en later gedroogd. Het oplosmiddel wordt teruggewonnen voor hergebruik.

Als de anode en kathode gereed zijn, wordt er een separator tussen hen in geplaatst. Vervolgens wordt de volledige behuizing gevuld met elektrolytgel.

Behalve de typische uitdagingen in de toeleveringsketen, heeft de batterijwaardeketen unieke eigenschappen, die kritisch moeten worden bekeken met het oog op veiligheid en duurzaamheid. Allereerst moeten toeleveringsketens zorgvuldig worden beheerd om een consistente toevoer van pekel, ertsen en andere noodzakelijke grondstoffen te waarborgen. Hoewel een groot gedeelte van de batterijproductie in China plaatsvindt, komen grondstoffen van over de hele wereld, zodat onderbrekingen bij de aanvoer voor grote problemen kunnen zorgen.

Bovendien wordt bij de Li-ion-batterijproductiemethoden vast, vloeibaar en gasvormig afval geproduceerd. Dit zou tot nadelige milieu-effecten kunnen leiden, met name in gebieden waar vage milieurestricties gelden.

Het is cruciaal om strikte normen voor de vervaardiging, de afvoer en de recycling van Li-ion-batterijen toe te passen vanwege hun inherent risico op brand of explosies. Imitatiebatterijen van twijfelachtige afkomst kunnen deze gevaren versterken.

De recycling van Li-ion-batterijen kan ook moeilijk zijn. Hoewel deze batterijen als gevaarlijk afval worden beschouwd, kunnen fabrikanten aanzienlijke energiebesparingen realiseren door deze te hergebruiken, waarbij de negatieve milieu-effecten van het weggooien worden geëlimineerd.

De kosten van de Li-ion-batterijproductie zijn hoog door de vereiste kwaliteit van de grondstoffen, de nadruk op kwaliteitscontrole, de complexe fabricageprocedures en de grote vraag. Zo zijn er bijvoorbeeld 289 ton erts, 750 ton pekel of 28 ton Li-ion-batterijen nodig om één ton zuiver lithium van batterijkwaliteit te produceren.

Onderzoeker bekijken de haalbaarheid van natrium-ion-batterijen om dit probleem op te lossen. Natrium is veel beter te krijgen dan lithium, makkelijker te winnen en veel goedkoper. Bovendien is het minder veranderlijk en stabieler.

Van de flowbatterijen, die de energie opslaan in een vloeibare elektrolyt, wordt ook bekeken of ze kunnen worden gebruikt voor de energieopslag voor elektriciteitsnetten op grote schaal. Dit type batterij bestaat uit twee of meer tanks met de elektrolyt, waarbij deze door een elektrochemische cel wordt gepompt om elektriciteit te produceren.

Natrium-ion-cellen en flowbatterijen hebben een lagere energiedichtheid per volume en gewicht vergeleken met Li-ion-batterijen. Ze zijn ook minder efficiënt, waardoor de uiteindelijke toepassingen minder betrouwbaar zijn. Daarom blijven Li-ion-batterijen voorlopig de primaire gebruikte technologie.

Li-ion-batterijen hebben draagbare elektriciteit radicaal veranderd, waardoor transformatieve technologieën zoals smartphones, elektrische gereedschappen, EV's en microgrids mogelijk werden. Terwijl de wereld zich steeds meer ontwikkelt richting hernieuwbare energie en elektrische mobiliteit, zal de vraag naar batterijen alleen maar toenemen. De complexe en globaal vertakte lithiumbatterij-waardeketen brengt grote uitdagingen met zich mee.

Voor een wereldwijde duurzaamheid moet het verantwoord winnen van grondstoffen, beperking van de milieu-effecten in het hele productieproces en het aanpakken van de problemen bij de batterijrecycling zijn gewaarborgd. Hoewel elektrochemische alternatieven zoals natrium-ion-batterijen hoopvol zijn, blijft de Li-ion-technologie de dominante factor bij de batterijen. Li-ion-batterijen zijn slechts één component van de wereldwijde energietransitie en de koolstofreductie-inspanningen voor het realiseren van de netto-nul-emissies in 2050.