Essentiële mineralen stimuleren batterij-innovatie

De globale energietransitie en elektrificatie zorgt voor veranderingen in mobiliteit en elektrisch vervoer, zoals de acceptatie van elektrische voertuigen (EV) en opslagoplossingen voor hernieuwbare energie. Door deze trends ligt de aandacht van industriële innovators voornamelijk op batterijtechnologie. Door de toenemende vraag binnen de industrie heeft de batterijproductie de afgelopen decennia een vlucht genomen, met nieuwe bronnen van batterijmineralen en verbeterde rendementen in productieprocessen en de technologie. 

Bij de chemische eigenschappen van de batterij bepaalt de combinatie van mineralen de totale prestatie. Diverse elementen en samenstellingen vormen samen de elektroden en de elektrolyt in elke cel, waarbij hun interacties de eigenschappen van de batterij bepalen. Op deze pagina wordt de reis beschreven die de essentiële mineralen maken van de aarde naar de batterijen die de moderne mobiele en elektrische systemen steeds vaker aandrijven. Hier worden ook de uitdagingen en strategieën besproken die belangrijk zijn voor de stabiliteit van de toeleveringsketen. 

Lithium-ion (Li-ion) -batterijen zijn tegenwoordig het bekendste type in het batterijlandschap. Deze samenstellingen werken op basis van een complexe combinatie van mineralen en materialen, die elk bijdragen aan de unieke eigenschappen van de batterij. Hoewel het naamgevende lithium het belangrijkste element is, zijn er nog andere mineralen nodig voor het maken van Li-ion-cellen.

De kathode van een batterij bepaalt diverse belangrijke eigenschappen, zoals de energiedichtheid, het uitgangsvermogen en de levensduur van de cel.

Kobalt wordt gewaardeerd om zijn hoge energiedichtheid en stabiliteit, en wordt veel gebruikt in Li-ion-batterijcel-kathoden, met name voor EV's. Het delven van kobalt brengt echter meer ethische problemen met zich mee dan de meeste andere batterijmineralen, waardoor verantwoordelijke batterijproducenten hun toeleveringsketen moeten nagaan en upstream-belanghebbenden verantwoordelijk blijven voor deugdelijke praktijken. De Europese Unie heeft bijvoorbeeld regels opgesteld voor wat men conflictmineralen noemt. Deze richten zich op het beteugelen van het gebruik van mineralen die gewapende conflicten financieren of worden gedolven onder omstandigheden die inbreuk maken op mensenrechten.

Nikkel wordt ook veel gebruikt in Li-ion-kathoden, waardoor een hogere energiecapaciteit per gewicht en volume wordt verkregen. Het delven van nikkel zorgt echter voor bezorgdheid voor het milieu door de mogelijke effecten voor gevoelige ecosystemen. Deze effecten zijn mogelijk onder andere ontbossing, habitatverlies en watervervuiling in oceanische gebieden waar het mineraal vooral voorkomt, zoals Indonesië en de Filipijnen. Daarom heeft de belangrijke Amerikaanse EV-producent Tesla verklaard, dat het voortaan afziet van het gebruik van Li-ion-batterijen op nikkelbasis.

Mangaan is ruimschoots aanwezig en minder duur dan nikkel en kobalt, maar heeft een lagere energiedichtheid per gewicht of volume. Door de lagere energiedichtheid is het minder reactief of brandgevaarlijk en daarom veiliger voor gebruik in bepaalde Li-ion-batterijen, zoals lithium-mangaanfosfaat. Daarom kiezen onder andere producenten van elektrisch gereedschap vaak voor dit mineraal voor gebruik in hun batterijen.

Anoden vormen de negatieve elektrode van een batterij en worden voornamelijk van grafiet gemaakt, een volop verkrijgbare en goedkope allotroop van koolstof. Het delven van grafiet stoot echter ook op milieubezwaren, met name door mogelijke stofbelasting, waterverontreiniging en landdegradatie. Het aanpakken van deze problemen is dus kritisch voor duurzaamheidsoperaties.

In een aantal nieuwere high-density-batterijen is de anode gemaakt van silicium in plaats van grafiet, omdat dit meer lithium-ionen kan bevatten. Voor de EV-industrie betekent dit een grotere actieradius en een hogere oplaadsnelheid. Silicium zet uit en trekt samen tijdens het laden en ontladen, wat een veiligheidsrisico met zich meebrengt dat door de juiste celconstructie moet worden tegengegaan.

De elektrolyt tussen de kathode en anode van een batterij zorgt voor de ionenstroom. Deze bestaat doorgaans uit lithiumzouten die zijn opgelost in organische oplosmiddelen. Lithium-hexafluorofosfaat, gevormd door de reactie van lithiumfluoride met andere oplosmiddelen, domineert momenteel de Li-ion-elektrolytmarkt, maar onderzoekers kijken nu ook naar alternatieve lithiumzouten en vastestof-elektrolyten.

Lithium komt meestal uit Zuid-Amerikaanse pekelafzettingen en Australische rotsformaties. Het wordt doorgaans verkregen door grootschalige verdampingsbekkens of conventionele mijnbouwmethoden. Bij beide methoden moet behoedzaam te werk worden gegaan, om de schade aan waterbronnen en ecosystemen tot een minimum te beperken.

Anders dan veel metalen wordt lithium niet in een metallische toestand geraffineerd, maar in zeer zuivere oplosbare samenstellingen, zoals lithiumcarbonaat of lithiumhydroxide.

Voor de zoutwinning moeten lithiumzouten van ondergrondse pekel worden geconcentreerd tot concentraties van 200 tot 1400 mg/l, doorgaans in grote verdampingsbekkens. Toegepast op grote schaal is het proces tijdrovend en waterintensief.

Eenmaal geconcentreerd ondergaat de pekel een aantal chemische reacties om ongewenste verbindingen te laten bezinken. Dit veroorzaakt uiteindelijk kristallisatie, zodat lithiumcarbonaat kan worden afgescheiden. Zorgvuldige bewaking van deze reacties en efficiënte filtratieprocessen zijn essentieel voor een optimale terugwinning van lithium en een minimum aan afval.

Ook kan directe lithium-extractie worden toegepast, wat een duurzamere methode is om lithium uit pekel te halen zonder dat er verdampingsbekkens nodig zijn. Dit proces maakt gebruik van adsorberende materialen met een affiniteit voor lithium. Het omvat kleimineralen en ionenuitwisselingsharsen voor het verzamelen van lithium-rijke oplossingen van de pekel. Als de adsorbentia verzadigd zijn met lithium-ionen worden ze onderworpen aan desorptie en wordt de lithiumoplossing opgevangen. Helaas is dit proces nog niet haalbaar op een schaal die nodig is voor de commerciële vraag naar lithium.

Voor het ontginnen van harde rots moet spodumeenerts worden uitgehakt, worden vergruisd en worden omgezet in beta-spodumeen door verhitting op hoge temperatuur in draaiovens. Het hele proces vraagt nogal veel energie.

Als het erts is omgezet, ondergaat het chemische reacties, zoals het zoutwinningsproces, waarbij geleidelijk de onzuiverheden worden verwijderd. Dit gaat stapsgewijs verder totdat er alleen lithiumcarbonaat overblijft, met lage concentraties minder belangrijke bijproducten. De verbinding moet verder worden gezuiverd door een lithiumbicarbonaat-oplossing toe te voegen, vervolgens worden gefilterd en opnieuw worden verhit totdat lithiumcarbonaat wordt verkregen die geschikt is voor batterijen. Deze kwaliteit staat bekend als zuiverheid “vijf negens” of 99,999%.

Net zoals lithium moeten andere batterijmineralen worden geraffineerd voor zuiverheid voordat ze worden gebruikt voor de productie van batterijcellen. Hiervoor vinden doorgaans een aantal chemische en fysische transformaties plaats, die variëren afhankelijk van het specifieke mineraal en de beoogde toepassing. Zijn er voor de raffinage van lithium meerdere zuiverings- en filtratiefasen nodig, kobalt en nikkel worden afgescheiden in complexe pyrometallurgische of hydrometallurgische processen.

Na de raffinage worden zeer zuivere materialen gebruikt om batterijcomponenten te vervaardigen. Kathode- en anodematerialen worden samengesteld door nauwkeurige meng-, verhittings- en coatingsprocessen, waarbij bij elk een betrouwbare meting en kwaliteitscontrole nodig is om een optimale batterijprestatie te waarborgen. 

Elektrolyten worden gevormd door het zorgvuldig oplossen van lithiumzouten in zuivere oplosmiddelen, waarbij er geen vocht mag binnendringen, om batterijdegradatie en veiligheidsrisico's te voorkomen. Deze componenten komen dan bijeen en worden dan complex gelaagd, ingepakt en hermetisch afgesloten om lekkages te voorkomen en duurzaamheid te waarborgen.

Tijdens de montage worden afzonderlijke cellen gecombineerd tot batterijpacks en modules, op maat gemaakt voor specifieke toepassingen zoals smartphones, EV's en speciale energiebeheersystemen met batterij-backup.

De reis van de batterijmineralen eindigt niet na hun eerste gebruik. Omdat de industrie en het publiek beseffen dat deze bronnen eindig zijn en dat hun winning en verwerking gevolgen heeft voor het milieu, is er een tendens om de principes van de circulaire economie te omarmen. Om dit te bereiken moet de batterijrecycling serieus worden opgepakt, zodat waardevolle mineralen kunnen worden teruggewonnen uit afvalbatterijen. Hierdoor worden grondstoffen bespaard en wordt de toeleveringsketen minder belast.

Omdat de vraag naar lithium-ion-batterijen toeneemt, moet de winning van mineralen, de productie en recycling worden geoptimaliseerd om de duurzame bewerkingen te waarborgen en de milieu-effecten tot een minimum te beperken. Mogelijke maatregelen zijn onder andere het implementeren van robuuste waterbeheerstrategieën, zorgvuldig naleven van regionale milieuvoorschriften en investeringen door mijnbouwbedrijven en belanghebbenden in directe lithiumwinning.

De productie van batterijmineralen weerspiegelt de connectie van technologie, milieu en maatschappij. Bij de grote energietransitie en de vooruitgang richting koolstofneutrale doelstellingen moet de industrie ethiek, milieubescherming en winstgevendheid in haar duurzaamheidsstrategieën voor de lange termijn integreren. Om het succes te kunnen continueren zijn technologische vooruitgang, het verantwoord winnen van grondstoffen en een geheel duurzame productie vereist.