Styrkelse af batteriernes værdikæde

Batteriindustrien har oplevet en massiv vækst i de seneste årtier, fremkaldt af den stigende betydning af bærbarhed og fleksibilitet i hverdagen. Det moderne litium-ion-batteri (Li-ion) startede i det små og blev oprindeligt udviklet til brug i forbrugerelektronik i 1990'erne. Det er nu en fast bestanddel af mobiltelefoner, laptops og meget mere.

Teslas medstifter Martin Eberhard tog et stort skridt fremad ved at samle flere litiumbatterier til drift af elbiler (EV'er). Han indså, at de teknikker, der blev brugt til at producere laptop-batterier, kunne tilpasses, så de meget større elbilbatterier kunne fremstilles på en omkostningseffektiv måde. Det medførte, at Tesla og andre elbilproducenter kunne integrere dem i den eksisterende batteriforsyningskæde. Flagskibet Tesla Roadster fra 2008 blev drevet af 6.831 Li-ion-laptopbatterier med en rækkevidde på 400 km og en tophastighed på mere end 200 km/h.

Ud over elbiler er klimaproblemerne den drivende kraft bag overgangen til bæredygtige energiproduktionsteknikker, herunder vind, sol og geotermi. Batterilagring er afgørende på grund af udsvingene i disse energikilders produktionskapacitet. Moderne litiumbatterier bruges også i stigende grad til kontinuerligt at forsyne microgrids med strøm som supplement til det traditionelle elnet. Det er især vigtigt for datacentre og andre anvendelser med behov for redundant strøm.

Litium gennemgår mange trin og processer på sin vej fra jorden til engros- og detailmarkederne, herunder minedrift, raffinering, batterifremstilling og transport. Derfor afspejler prisen på litiumbatterier alle de mellemliggende trin. Større litiumbatterier kan være ret dyre. F.eks. koster en ny batteripakke til en Tesla Model S mellem 56.500 og 70.500 kr. (8.000 og 10.000 USD).

Batteriernes værdikæde består af fire hovedtrin:

1. Før batterifremstilling: Minearbejdere udvinder litium, kobolt, mangan, fosfater, nikkel og grafit til brug i produktionen af Li-ion-batterier.
2. Under batterifremstillingen: Forarbejdnings- og raffineringsvirksomheder producerer aktive katode- og anodekomponenter, og råvarehandlere køber og sælger disse aktive komponenter til virksomheder, der samler battericeller.
3. Efter batterifremstillingen: Batteriproducenter sammenbygger celler til moduler, som derefter sælges til grossister eller forbrugere.
4. Slutningen på batteriernes levetid: Batterigenvindingsvirksomheder adskiller udtjente batterier til individuelle komponenter, der genbruges til at producere nye batterier ved hjælp af en række forskellige metoder.

Litium i kommercielt bæredygtige mængder findes primært i Australien, Argentina, Bolivia og Chile. I Australien bruges åbne spodumenminer til at oparbejde det meste af litiummalmen. Greenbushes-minen i den australske stat Western Australia er verdens største litiummine i hård klippe og producerer årligt litiumspodumen til en værdi af ca. 40 milliarder DKK (5,6 milliarder USD).

I Nord- og Sydamerika opkoncentreres litium fra saltbriner, der findes under gamle saltsletter. Producenterne borer ned i de saltholdige grundvandsmagasiner og pumper derefter væske ind i tørringslejerne, hvor det meste af væsken fordamper og efterlader litiumsalte. Andre mineraler som f.eks. brom kan også udvindes fra koncentratet i tørringslejet.

Når råstofferne er udvundet, skal de raffineres til brugbare formater. Ifølge Bloomberg NEF er Kina, Sydkorea og Japan verdens førende lande inden for batteriproduktion. I øjeblikket dominerer Kina den globale forsyningskæde for Li-ion-batterier og producerer 80 % af alle Li-ion-batterier, 70 % af katoderne og 80 % af anoderne. Derudover bearbejder og raffinerer Kina mere end halvdelen af verdens litium, fosfat, kobolt og grafit.

De næste på listen, Sydkorea og Japan, står for en betydeligt mindre batteriproduktion. Sydkorea producerer 15 % af verdens katodeelektroder og 3 % af anodeelektroderne, mens Japan står for henholdsvis 14 % og 11 %.

Raffineringsprocessen for litiummalm ligner fremgangsmåderne for cementproduktion, herunder knusning, kalcinering, formaling og sulfatering. Udvaskning og filtrering bruges til at fjerne andre mineraler som f.eks. aluminiumoxid, mangan og kalcium. Denne proces fortsættes, indtil der er opnået litiumkarbonat af batterikvalitet.

Batterifremstilling kræver, at man først samler enkelte battericeller, som derefter samles til enheder med flere celler. De vigtigste komponenter er katode, anode og elektrolyt. Li-ion-katoder er primært lavet af litium og anoder af kulstof. Hver celle indeholder en separator og en kasse til batterimaterialerne, som fyldes med en ledende elektrolyt.

Anoden og katoden fremstilles ved at lave en opslæmning, der består af aktivt materiale, ledende stoffer og et bindemiddel. Opslæmningen anbringes derefter på en film eller et foliesubstrat. Folien udskæres, renskæres, kalandreres og trykkes flad mellem to trykruller, så den passer til batteriet, og tørres derefter. Opløsningsmidlet genvindes til genbrug.

Når anoden og katoden er færdige, indsættes der en separator imellem dem. Derefter fyldes hele kassen med elektrolytgel.

Blandt de typiske udfordringer med forsyningskæden er det faktum, at batteriværdikæden har unikke egenskaber, der kræver kritisk overvågning for at garantere sikkerhed og bæredygtighed. For det første skal forsyningskæderne styres omhyggeligt for at sikre en ensartet forsyning med brine, malm og andre nødvendige råmaterialer. Mens en stor del af batteriproduktionen er samlet i Kina, kommer råmaterialerne fra hele verden, så enhver transportforstyrrelse kan skabe kaos.

Endvidere frembringer metoderne til fremstilling af Li-ion-batterier fast, flydende og gasformigt affald. Det skaber risiko for negative miljøpåvirkninger, især i områder med lempelige miljørestriktioner.

Det er afgørende at håndhæve strenge standarder for fremstilling, bortskaffelse og genvinding af Li-ion-batterier på grund af deres iboende risiko for brand eller eksplosion. Kopibatterier fra tvivlsomme kilder kan skærpe disse farer.

Genvinding af Li-ion-batterier kan også være vanskelig. Selv om de betragtes som farligt affald, kan producenterne opnå betydelige energibesparelser ved at genbruge disse batterier, samtidig med at de negative miljømæssige konsekvenser af bortskaffelse elimineres.

Produktionsomkostningerne for Li-ion-batterier er høje på grund af råmaterialernes krævede kvalitet, den vægt der lægges på kvalitetskontrol, komplekse fremstillingsprocedurer og efterspørgsel efter store mængder. Det kræver f.eks. 289 tons malm, 750 tons brine eller 28 tons Li-ion-batterier at producere et ton ren litium af batterikvalitet.

Forskere undersøger muligheden for at bruge natrium-ion-batterier til at løse disse udfordringer. Natrium er meget mere udbredt end litium, lettere at udvinde og betydeligt billigere. Derudover er det mindre flygtigt og mere stabilt.

Flowbatterier, som lagrer energi i en flydende elektrolyt, er også ved at blive undersøgt til brug for energilagring i netskala. Disse batterityper består af to eller flere tanke til elektrolytten, som pumpes gennem en elektrokemisk celle for at producere elektricitet.

Natrium-ion-celler og flowbatterier har dog lavere energitæthed i forhold til volumen og vægt sammenlignet med Li-ion-batterier. De er også mindre effektive, hvilket fører til mindre pålidelige slutanvendelser. Derfor vil Li-ion-batterier inden for den nærmeste fremtid fortsat være den primære teknologi.

Li-ion-batterier har revolutioneret mobil strøm og muliggjort transformative teknologier som smartphones, elværktøj, elbiler og microgrids. I takt med at verden omstiller sig til vedvarende energi og elektrisk mobilitet, vil efterspørgslen efter batterier kun stige. Men den komplekse og globalt forbundne værdikæde for litiumbatterier giver betydelige udfordringer.

Global bæredygtighed kræver, at man sikrer etisk anskaffelse af råmaterialer, mindsker miljøpåvirkningerne i hele produktionsprocessen og håndterer dilemmaet med genvinding af batterier. Selv om elektrokemiske alternativer som natrium-ion-batterier er lovende, er Li-ion-teknologien stadig dominerende på batteriområdet. Li-ion-batterier er kun en enkelt del af den globale energiomstilling og bestræbelserne på at reducere mængden af CO₂ for at opnå netto-nul-emission inden 2050.