Zorientování se ve složitém dodavatelském řetězci baterií pro elektromobily

Rostoucí globální přijetí elektrických vozidel (EV) se opírá o komplexní a vyvíjející se dodavatelský řetězec lithium-iontových (Li-ion) baterií, který zahrnuje těžbu nerostných surovin, výrobu součástí baterií a montáž článků. Každý krok tohoto propracovaného procesu představuje jedinečné výzvy a příležitosti.

Jednou z hlavních výzev dodavatelského řetězce je zajištění dostatečné dostupnosti nerostných surovin, aby bylo možné uspokojit rostoucí poptávku po elektromobilech a vyvíjející se požadavky na baterie. Spotřebitelské elektromobily z počátku 21. století byly velmi kompaktní, což pomohlo maximalizovat omezený dojezd, který většina Li-ion baterií té doby mohla poskytnout. Například Chevrolet Spark EV z roku 2016 byl dlouhý pouze 3,7 m (147 palců) s dojezdem 132 km (82 mil). Očekávaná velikost vozidla, dojezd a výkon se však v posledním desetiletí zvýšily, což vyžaduje větší sady baterií s příznivými kombinace minerálů a vyšším počtem článků na vozidlo.

Kromě toho je průmysl konfrontován s potřebou vyvinout udržitelné metody recyklace, protože časná elektrická vozidla a jejich Li-ion baterie se blíží konci své životnosti. Toto úsilí je nezbytné pro minimalizaci plýtvání a snížení zatížení původních zdrojů a prostředí, z nichž se získávají.

Zavádění elektromobilů za poslední desetiletí celosvětově prudce vzrostlo, přičemž prodej elektromobilů dosáhl v roce 2023 rekordních 10,5 milionu, včetně plně bateriových i plug-in hybridních elektromobilů. Neexistují žádné známky zpomalení, projekce předpovídají složenou roční míru růstu EV o 32 % do roku 2030. Tato čísla zdůrazňují naléhavou potřebu robustních a udržitelných řešení dodavatelského řetězce baterií.

Stejně jako většina baterií se baterie pro elektromobily skládají z minerálů vzácných zemin, které obsahují různá množství lithia, kobaltu, niklu a grafitu. Mnohé z těchto materiálů lze znovu použít a recyklovat v oběhovém hospodářství, na rozdíl od paliva pro vozidla s vnitřním spalovacím motorem (ICE), která se spoléhá na nepřetržitou těžbu a spalování fosilních paliv.

Lithium a další minerály vzácných zemin procházejí mnoha fázemi a procesy, když se dostávají ze Země na velkoobchodní a maloobchodní trhy s bateriemi. Tyto kroky zahrnují těžbu, rafinaci, výrobu baterií, montáž a přepravu.

V ceně lithiových baterií se promítají všechny mezikroky a větší baterie EV mohou být pěkně drahé. Například náhradní baterie Tesla Model S stojí v roce 2024 mezi 8 000 a 10 000 USD.

Cesta baterií elektromobilu začíná v oblastech bohatých na nerosty, kde se těží základní minerály vzácných zemin. Většina těchto materiálů se získává jako ruda bohatá na minerály, rafinuje se, zpracovává, louhuje a čistí.

Důlní operace však mohou přispět k odlesňování, ztrátě stanovišť a znečištění vody, pokud nebudou zavedena odpovědná opatření na ochranu životního prostředí. Kromě toho koncentrace nerostů vzácných zemin v omezených regionech vyvolává obavy z geopolitické zranitelnosti a potenciálního narušení dodavatelského řetězce, což vyžaduje, aby zúčastněné strany v tomto odvětví společně sledovaly trh a spolupracovaly na zmírnění potenciálních dopadů v předstihu.

Průmysl na tyto výzvy reaguje snahou o diverzifikaci nerostných surovin, ekologičtějšími metodami těžby a pokrokem ve schopnostech recyklace bateriových minerálů. Očekává se, že tato opatření sníží závislost na geopoliticky citlivých materiálech, zachovají ekosystémy v blízkosti dolů a ochrání vodní zdroje.

Procesy středního proudu vyžadují přeměnu surovin na kompozity bateriové kvality. Tyto kroky zahrnují zpracování lithia na sloučeniny, jako je hydroxid, uhličitan a soli, nezbytné pro výrobu povlaků elektrod baterie a vrstvy elektrolytu mezi katodou a anodou baterie.

Katoda baterie významně ovlivňuje výkon článku. Většina EV katod je kombinací slitin kobaltu a niklu, ale stále se experimentuje s použitím bezpečnějších, účinnějších a rozmanitějších kombinací kovů.

Li-iontové anody se obvykle skládají z měděné fólie potažené grafitem, která poskytuje hostitelskou strukturu pro lithiové ionty během nabíjení a vybíjení. Tato součást se opírá o specializovaný grafit, broušený na přesné velikosti a nanášený na měděný povrch.

Tyto střední fáze výroby probíhají ve velkém rozsahu, protože baterie pro elektromobily obvykle obsahují tisíce článků. Pro bezpečný a efektivní provoz baterií je zásadní čistota použitých materiálů a kvalita výroby. K tomu je nezbytné využívat moderní přístroje a analyzátory, které monitorují a řídí celý výrobní proces.

Po výrobě se komponenty spojí do článků, typicky válcových tvarů pro elektromobily. Tyto články jsou pak sestaveny do velkých bateriových sad, aby poskytovaly přijatelnou energii pro vozidlo na dlouhé vzdálenosti.

Poskytování baterií schopných napájet elektromobily na velkou vzdálenost je klíčovým požadavkem pro zvýšení životaschopnosti elektromobilů na spotřebitelských i komerčních trzích. Řidiči jsou zvyklí natankovat vozidla ICE během několika minut po několika stovkách kilometrů jízdy pomocí bohaté sítě čerpacích stanic. Naproti tomu nabíjecích stanic EV je málo a nabíjení baterie EV trvá na většině terminálů hodiny.

Pro boj s těmito nevýhodami se musí nabíjecí infrastruktura nadále rozšiřovat se zaměřením na rychlé nabíjení s vysokým výkonem. Stále schopnější baterie s vyšší kapacitou akumulace energie pomáhají zmírnit některé obavy ohledně proveditelnosti, zejména na spotřebitelských a komerčních trzích, kde jsou vozidla často zaparkována po delší dobu, a poskytují dostatek příležitostí k nabíjení.

Vývoj vodíkových palivových článků je další technickou možností, jak vyřešit problém délky dobíjení, ale infrastruktura pro zásobování palivem ve většině regionů kriticky chybí, takže vozidla na vodíkový pohon jsou na většině trhů prozatím neživotaschopná.

Li-ion baterie mohou být nebezpečné kvůli energii, která je v nich uložena, stejně jako kvůli použitým vysoce reaktivním surovinám a chemikáliím, což je činí nebezpečně náchylnými ke vznícení, pokud jsou vystaveny jiskrám, jsou silně deformovány nebo jsou špatně konstruovány. Kromě toho může rozklad elektrolytu na bázi lithia uvolňovat do vzduchu hořlavé plyny, jako je etylen, metan a vodík.

Tepelný únik, ke kterému může dojít, pokud se baterie příliš zahřeje v důsledku poškození nebo nesprávného nabíjení, je vážným problémem u baterií EV. V případě, že k tomu dojde, rostoucí teplo odpaří elektrolyt, naruší plášť článku a uvolní hořlavé plyny. Přebíjení může způsobit tvorbu kovového lithia uvnitř článku, což může způsobit vnitřní zkraty a reagovat s okolní vlhkostí. Jakmile tato reakce začne, je soběstačná, takže odpojení napájení ji nemusí zastavit. Bohužel je obtížné odhalit tepelný únik, dokud nevypukne požár, což zdůrazňuje důležitost vysoce kvalitní výroby článků.

Recyklace se v poslední době stala kritickým aspektem v dodavatelském řetězci baterií pro elektromobily, protože toto odvětví se potýká s rychlým nárůstem odpadu z baterií pocházejících z elektromobilů s ukončenou životností. S rostoucím přijetím elektromobilů roste i potřeba účinných a udržitelných metod recyklace k obnově cenných kovů, minimalizaci dopadu na životní prostředí a doplnění těžby pro výrobu nových baterií pro elektromobily.

Baterie pro elektromobily lze recyklovat podobně jako menší Li-ion baterie pomocí pyrometalurgie a hydrometalurgie. Jejich velká velikost, hmotnost a složitost však výrazně zvyšují náročnost účinné recyklace minerálů. Různá recyklační zařízení přistupují k tomuto úkolu různými způsoby. Některá se rozhodnou ručně rozebírat bateriové moduly pomocí týmu kvalifikovaných pracovníků, zatímco jiná jednoduše drtí celé baterie ponořené v inertní kapalině, která omezuje přístup kyslíku a snižuje riziko vznícení.

Účinnost recyklace baterií pro elektromobily se rychle zlepšuje i přes výzvy, přičemž inovace, jako je robotizovaná demontáž, pomáhají rozšiřovat tuto praxi. Recyklace baterií ve velkém měřítku je stále důležitější oblastí výzkumu, protože počet baterií, které budou v budoucnu vyžadovat recyklaci, roste úměrně s rekordními počty elektromobilů na silnicích a s rostoucím počtem energetických úložišť na bázi baterií.

Splnění rychle rostoucí poptávky po bateriích pro elektromobily vyžaduje stabilní dodavatelský řetězec, který pokrývá těžbu, výrobu, montáž a recyklační procesy. Kromě toho musí průmysl zajistit plynulý tok komponentů a materiálů napříč geograficky rozptýlenými regiony, aby byla zachována efektivní výroba bateriových modulů.

Přechod na elektrickou mobilitu přináší výzvy, ale je klíčovou součástí globálních snah o snížení emisí CO₂ a omezení skleníkových plynů v atmosféře. Řešení výzev spojených s dodavatelským řetězcem baterií pro elektromobily udržitelným způsobem vyžaduje zavedení odpovědných praktik při získávání surovin, zmírnění environmentálních dopadů těžby, přísnou kontrolu kvality během výroby a montáže a pokračování v investicích do technologií recyklace baterií.