Posílení hodnotového řetězce baterií

Průmysl výroby baterií zaznamenal v posledních desetiletích obrovský růst, který byl způsoben rostoucím významem přenosnosti a flexibility v každodenním životě. Moderní lithium-iontové (Li-ion) baterie začaly v malém, původně byly vyvinuty pro použití ve spotřební elektronice v 90. letech 20. století a nyní jsou základem mobilních telefonů, notebooků a dalších zařízení.

Spoluzakladatel společnosti Tesla Martin Eberhard učinil významný krok vpřed sestavením několika lithiových baterií pro pohon elektromobilů. Uvědomil si, že techniky používané k výrobě baterií pro notebooky lze přizpůsobit pro nákladově efektivní výrobu těchto mnohem větších baterií. Díky tomu ji společnost Tesla a další výrobci elektromobilů začlenili do stávajícího dodavatelského řetězce baterií. Vlajková loď Tesla Roadster z roku 2008 byla poháněna 6 831 li-ionovými bateriemi pro notebooky, které umožňovaly dojezd 400 km a maximální rychlost přes 200 km/h.

Kromě elektromobilů vedou obavy o klima k přechodu na udržitelné způsoby výroby energie, včetně větrné, solární a geotermální energie. Akumulátorové úložiště je nezbytné vzhledem k nepravidelné výrobě těchto zdrojů energie. Moderní lithiové baterie se také stále častěji používají k nepřetržitému napájení mikrosítí, které doplňují tradiční elektrickou síť. To je důležité zejména pro datová centra a další aplikace s požadavky na redundantní napájení.

Lithium při své cestě ze země na velkoobchodní a maloobchodní trhy prochází mnoha kroky a procesy, včetně těžby, rafinace, výroby baterií a přepravy. Cena lithiových baterií proto odráží všechny mezistupně. Větší lithiové baterie mohou být poměrně drahé. Například náhradní baterie pro model S společnosti Tesla stojí 8 000 až 10 000 USD.

Hodnotový řetězec baterií se skládá ze čtyř hlavních fází:

1. Na vstupu: Horníci těží lithium, kobalt, mangan, fosfáty, nikl a grafit pro použití při výrobě Li-ion baterií.
2. Střední část: Procesory a rafinerie vyrábějí katodové a anodové aktivní součástky a obchodníci s komoditami tyto aktivní součástky nakupují a prodávají společnostem, které montují bateriové články.
3. Navazující: Výrobci baterií sestavují články do modulů, které se pak prodávají velkoobchodům nebo maloobchodním prodejcům.
4. Konec životnosti: Recyklátory baterií rozkládají vybité baterie na jednotlivé součásti, které jsou znovu použity k výrobě nových baterií, pomocí různých metod.

Lithium se vyskytuje v komerčních množstvích především v Austrálii, Argentině, Bolívii a Chile. V Austrálii se otevřené jámy spodumenu používají ke zpracování většiny lithiové rudy. Důl Greenbushes v západní Austrálii je největším lithiovým dolem na světě, který ročně produkuje lithiový spodumen v hodnotě přibližně 5,6 miliardy USD.

V Severní a Jižní Americe se lithium koncentruje ze salarních solanek, které se nacházejí pod prastarými solnými pláněmi. Výrobci vrtají do těchto slaných vodonosných vrstev a poté čerpají tekutinu do sušících vrstev, kde se většina z nich odpařuje a zanechávají za sebou soli lithia. Jiné minerály, jako je brom, mohou být také extrahovány z koncentrátů v sušícím loži.

Poté, co jsou suroviny vytěženy, musí být zušlechtěny do použitelných formátů. Podle agentury Bloomberg NEF jsou Čína, Jižní Korea a Japonsko zeměmi s nejvyšším počtem výrobců baterií na světě. Čína v současnosti dominuje globálnímu dodavatelskému řetězci pro Li-ion baterie, vyrábí 80 % všech Li-ion baterií, 70 % katod a 80 % anod. Čína navíc zpracovává a rafinuje více než polovinu světového lithia, fosfátu, kobaltu a grafitu.

Druhé, Jižní Korea a Japonsko, mají na svědomí výrazně menší produkci baterií. Jižní Korea vyrábí 15 % světových katodových elektrod a 3 % svých anodových elektrod, zatímco Japonsko představuje 14 % a 11 %.

Proces rafinace lithiové rudy přizpůsobuje postupy z výroby cementu, včetně mletí, kalcinace, mletí a sulfatace. Vyluhování a filtrace se používají k odstranění dalších minerálů, jako je oxid hlinitý, mangan a vápník. Tento proces pokračuje, dokud není získán uhličitan lithný v kvalitě pro baterie.

Výroba baterie vyžaduje sestavení celého bateriového článku a případně sestavu článků. Mezi klíčové komponenty patří katoda, anoda a elektrolyt. Li-ion katody jsou primárně vyrobeny z lithia a anody z uhlíku. Každý článek obsahuje separátor a pouzdro pro uložení materiálů baterie, které je naplněno vodivým elektrolytem.

Anoda a katoda jsou vyrobeny vytvořením kaše, která se skládá z aktivního materiálu, vodivých činidel a pojiva. Kaše se poté nanese na fólii nebo fóliový substrát. Fólie se nařeže, ořízne a kalandruje, zplošťuje mezi dvěma tlakovými válci, aby pasovala na baterii, a později se suší. Rozpouštědlo se izoluje pro opětovné použití.

Jakmile jsou anoda a katoda dokončeny, je mezi ně instalován separátor. Poté se celé pouzdro naplní elektrolytickým gelem.

Mezi typickými výzvami dodavatelského řetězce má hodnotový řetězec baterií jedinečné vlastnosti, které vyžadují kritický dohled, aby byla zajištěna bezpečnost a udržitelnost. Za prvé, dodavatelské řetězce musí být pečlivě řízeny, aby byly zajištěny konzistentní dodávky solných roztoků, rud a dalších nezbytných surovin. Zatímco podstatná výroba baterií je soustředěna v Číně, suroviny pocházejí z celého světa, takže jakékoli přerušení přepravy může způsobit zmatek.

Kromě toho výrobní metody Li-ion baterií produkují pevný, kapalný a plynný odpad. To vytváří potenciál pro nepříznivé dopady na životní prostředí, zejména v regionech s laxními ekologickými omezeními.

Je velmi důležité prosazovat přísné normy pro výrobu, likvidaci a recyklaci Li-ion baterií kvůli jejich přirozenému riziku požáru nebo výbuchu. Padělané baterie z pochybných zdrojů mohou tato nebezpečí zhoršit.

Obtížná může být také recyklace Li-ion baterií. Přestože jsou tyto baterie považovány za nebezpečný odpad, mohou výrobci dosáhnout významných úspor energie opětovným použitím těchto baterií a zároveň eliminovat negativní dopady likvidace na životní prostředí.

Náklady na výrobu Li-ion baterií jsou vysoké vzhledem k požadované kvalitě surovin, důrazu na kontrolu kvality, složitým výrobním postupům a objemové náročnosti. Například k výrobě jedné tuny čistého lithia bateriového typu je potřeba 289 tun rudy, 750 tun solanky nebo 28 tun Li-ion baterií.

Vědci zkoumají proveditelnost sodíkových iontových baterií k řešení těchto problémů. Sodík je mnohem hojnější než lithium, snáze se těží a je výrazně levnější. Navíc je méně těkavý a stabilnější.

Průtokové baterie, které ukládají energii v kapalném elektrolytu, jsou také předmětem studie pro použití při skladování energie v síti. Tyto typy baterií se skládají ze dvou nebo více nádrží pro zadržování elektrolytu, přičemž je čerpán přes elektrochemický článek k výrobě elektřiny.

Sodno-iontové články a průtokové baterie však mají ve srovnání s Li-ion bateriemi nižší hustotu energie na objem a hmotnost. Jsou také méně účinné, což vede k méně spolehlivým koncovým aplikacím. Proto v dohledné budoucnosti zůstávají Li-ion baterie primární technologií volby.

Li-ion baterie způsobily revoluci v přenosném napájení a umožnily transformační technologie, jako jsou chytré telefony, elektrické nářadí, elektromobily a mikrosítě. Jak se svět posouvá směrem k obnovitelné energii a elektrické mobilitě, poptávka po bateriích bude jen růst. Složitý a globálně propojený hodnotový řetězec lithiových baterií však představuje významné výzvy.

Globální udržitelnost vyžaduje zajištění etického získávání surovin, zmírnění dopadů na životní prostředí během výrobního procesu a řešení problémů s recyklací baterií. Zatímco elektrochemické alternativy, jako jsou sodno-iontové baterie, nabízejí příslib, technologie Li-ion zůstává dominantní silou v oblasti baterií. Li-ion baterie jsou pouze jednou složkou globální energetické transformace a úsilí o snížení emisí uhlíku do roku 2050.