Navigering i den komplekse forsyningskæde for elbilbatterier
Den stigende globale efterspørgsel efter elbiler er en drivkraft for indførelsen af effektive og bæredygtige praksisser for batteriproduktion i alle faser før, under og efter fremstillingen af batterierne for at klare det nødvendige volumen
I korte træk
- Med elbilers stigende udbredelse er en konstant forsyning af råmaterialer som litium, kobolt, nikkel og grafit afgørende for batteriproduktionen. Men det er nødvendigt at styre minedriftens miljøpåvirkninger.
- Streng kvalitetskontrol, understøttet af avanceret udstyr, er nødvendig for at fremstille sikre og effektive elbilbatterier af høj kvalitet.
- Forbedringer i batterikapacitet og opladningsinfrastruktur er med til at øge brugen af elbiler, men der er stadig begrænsninger.
- I takt med at brugen af elbiler vokser, er mængden af brugte batterier også steget. Branchen skal udvikle effektive og skalerbare genvindingsmetoder til at genbruge værdifulde mineraler, minimere miljøpåvirkningen og øge indsamlingen af råmaterialer.
Udfordringer med forsyningskæden
Den stigende globale udbredelse af elbiler (EV'er) er afhængig af en kompleks forsyningskæde for litium-ion-batterier (Li-ion) under stadig udvikling, der omfatter udvinding af råmineraler, fremstilling af batterikomponenter og samling af celler. Hvert eneste trin i denne komplekse proces byder på unikke udfordringer og muligheder.
En af de største udfordringer i forsyningskæden er at sikre tilstrækkelig adgang til mineraler til at imødekomme den stigende efterspørgsel på elbiler og de kommende krav til batterier. Elbiler til almindelige forbrugere var i starten af det 21. århundrede meget kompakte, hvilket var med til at maksimere den begrænsede rækkevidde, som de fleste af datidens Li-ion-batteripakker kunne levere. For eksempel var Chevrolet Spark EV fra 2016 kun 3,7 m lang og havde en rækkevidde på 132 km. Men forventningerne til bilernes størrelse, rækkevidde og ydeevne er steget i det seneste årti, hvilket kræver større batteripakker med fordelagtige mineralske kombinationer og højere celleantal pr. bil.
Indblik
Forventningerne til bilers størrelse, rækkevidde og ydeevne er steget i det sidste årti, hvilket kræver større batteripakker med gunstige mineralske kombinationer og højere celleantal pr. bil.
Derudover står branchen over for behovet for at udvikle bæredygtige genvindingsmetoder, efterhånden som de tidlige elbiler og deres Li-ion-batterier nærmer sig slutningen af deres levetid. Denne indsats er afgørende for at minimere spild og reducere belastningen af jomfruelige ressourcer og de miljøer, de udvindes fra.
Hurtig vækst
Udbredelsen af elbiler er eksploderet på verdensplan i løbet af det sidste årti, og salget af elbiler vil nå et rekordhøjt niveau på 10,5 millioner i 2023, inklusive både komplet batteridrevne elbiler og plug-in-hybrid-elbiler. Der er ingen tegn på afmatning, og prognoserne forudsiger en samlet årlig vækst i elbiler på 32 % frem til 2030. Disse tal understreger det presserende behov for robuste og bæredygtige løsninger til batteriernes forsyningskæder.
Indblik
Markedet for nye elbiler forventes at vokse med 32 % om året frem til 2030.
Som de fleste batterier består elbilbatterier af sjældne jordarter, der indeholder forskellige mængder af litium, kobolt, nikkel og grafit. Mange af disse materialer kan genbruges og genvindes i den cirkulære økonomi, i modsætning til brændstof til biler med forbrændingsmotor (ICE), som er afhængige af kontinuerlig udvinding og afbrænding af fossile brændstoffer.
Litium og andre sjældne jordarter gennemgår mange stadier og processer på deres vej fra jorden til batteripakker beregnet for engros- og detailmarkedet. Disse trin omfatter minedrift, raffinering, batterifremstilling, samling og transport.
Prisen på litiumbatterier afspejler alle mellemliggende trin, og større elbilbatterier kan være ret dyre. For eksempel koster en ny batteripakke til en Tesla Model S mellem 56.500 og 70.500 kr. (8.000 og 10.000 USD) i 2024.
Før batterifremstillingen
Elbilbatteriets rejse begynder i mineralrige regioner, hvor der udvindes vigtige, sjældne jordarteri miner. De fleste af disse materialer udvindes som mineralrig malm, raffineres, forarbejdes, udvaskes og renses.
Men minedrift kan bidrage til skovrydning, mistede habitater og vandforurening, medmindre der gennemføres ansvarlige miljøbeskyttelsesforanstaltninger. Derudover giver koncentrationen af sjældne jordarter i begrænsede regioner anledning til bekymring for geopolitisk sårbarhed og potentielle forstyrrelser i forsyningskæden, hvilket kræver, at branchens interessenter sammen holder øje med markedet og på forhånd samarbejder om at afbøde potentielle konsekvenser.
Branchen reagerer på disse udfordringer ved at diversificere mineralerne, anvende mere miljøvenlige metoder til minedrift og gøre fremskridt inden for genvinding af batterimineraler. Disse tiltag forventes at reducere afhængigheden af geopolitisk følsomme materialer, bevare økosystemer i nærheden af miner og beskytte vandressourcer.
Under batterifremstillingen
Processerne under batterifremstillingen kræver omdannelse af råmaterialer til kompositmaterialer af batterikvalitet. Disse trin omfatter forarbejdning af litium til kemiske forbindelser som hydroxid, karbonat og salte, der er vigtige for produktion af batterielektrodebelægninger og elektrolytlaget mellem en battericelles katode og anode.
Et batteris katode har stor indflydelse på cellens ydeevne. De fleste katoder til elbiler er kombinationer af kobolt- og nikkellegeringer, men der eksperimenteres løbende med at bruge sikrere, mere effektive og forskellige kombinationer af metaller.
Li-ion-anoder består typisk af kobberfolie belagt med grafit, som skaber en værtsstruktur for litiumioner under opladning og afladning. Denne komponent er afhængig af specialgrafit, som er formalet til nøjagtige størrelser og påført kobberoverfladen.
Disse procedurer under fremstillingen udføres i stor skala, fordi de fleste elbilbatterier indeholder tusindvis af individuelle celler. Det er afgørende for at opnå sikre og effektive batterier, at materialets renhed og fremstillingskvalitet er i orden, hvilket kræver avanceret procesudstyr og analyseprogrammer til at overvåge og kontrollere produktionsprocessen.
Efter batterifremstillingen
Efter fremstillingen sammensættes komponenterne til celler, typisk i cylindriske former til elbiler. Disse celler samles derefter i store batteripakker for at levere tilstrækkelig strøm til biler, så de kan klare lange afstande.
At levere batterier, der kan forsyne elbiler med drivkraft til lange afstande, er et vigtigt krav for at gøre elbiler mere levedygtige på både forbruger- og erhvervsmarkedet. Bilisterne er vant til at tanke biler med forbrændingsmotorer op på få minutter efter nogle få hundrede kilometers kørsel på et stort netværk af tankstationer. Derimod er der langt mellem ladestationerne til elbiler, og det tager flere timer at oplade et elbilbatteri ved de fleste standere.
For at bekæmpe disse ulemper skal opladningsinfrastrukturen fortsat udbygges med fokus på hurtigopladning med høj effekt. Stadig mere effektive batterier med højere energilagringskapacitet hjælper med at afbøde nogle af problemerne med gennemførlighed, især på forbruger- og erhvervsmarkeder, hvor køretøjer ofte parkeres i længere perioder, hvilket giver mange opladningsmuligheder.
Udvikling af brændselsceller med brint er en anden teknisk mulighed for at løse problemet med opladningsvarigheden, men der er en kritisk mangel på brændstofinfrastruktur i de fleste regioner, hvilket gør brintdrevne køretøjer ubrugelige i praksis på de fleste markeder på nuværende tidspunkt.
Overvejelser
Li-ion-batterier kan være farlige på grund af den energi, der er lagret i dem, samt de meget reaktive råmaterialer og kemikalier, der anvendes. Det gør dem yderst brandfarlige, hvis de udsættes for gnister, er stærkt deformerede eller dårligt konstruerede. Endvidere kan nedbrydning af den litiumbaserede elektrolyt frigive brandfarlige gasser som ætylen, metan og brint til luften.
Termisk ustabilitet, som kan opstå, hvis et batteri bliver for varmt på grund af beskadigelse eller forkert opladning, er et alvorligt problem for elbilbatterier. Hvis det sker, vil den stigende varme fordampe elektrolytten, ødelægge celleindkapslingen og frigive brandfarlige gasser. Overopladning kan medføre, at der dannes metallisk litium inde i cellen, hvilket kan medføre interne kortslutninger og reagere med den omgivende luftfugtighed. Når denne reaktion først er begyndt, er den selvforstærkende, og det er derfor ikke sikkert, at den stopper, selv om strømmen afbrydes. Desværre er termisk ustabilitet vanskelig at registrere, før der udbryder brand, hvilket understreger vigtigheden af celleproduktion af høj kvalitet.
Genvinding
Genvinding er på det seneste blevet et vigtigt aspekt i forsyningskæden for elbilbatterier, fordi branchen kæmper med en hurtig stigning i affald af batterikomponenter fra udtjente elbiler. I takt med at brugen af elbiler vokser, vokser også behovet for effektive og bæredygtige genvindingsmetoder til at genvinde værdifulde metaller, minimere miljøpåvirkningen og supplere minedrift i forbindelse med produktion af nye elbilbatterier.
Elbilbatterier kan genvindes på samme måde som mindre Li-ion-batterier ved hjælp af pyrometallurgi og hydrometallurgi. Men deres store størrelse, vægt og kompleksitet mangedobler udfordringerne ved effektiv mineralgenvinding. Forskellige genvindingsanlæg griber opgaven forskelligt an. Nogle vælger at adskille elbilbatterier manuelt med hjælp fra teams af faglærte medarbejdere, mens andre simpelthen findeler hele batterier, mens de er nedsænket i inert væske for at lukke af for ilten og reducere risikoen for forbrænding.
Effektiviteten af genvinding af elbilbatterier forbedres hurtigt på trods af udfordringerne, og innovationer som adskillelse ved hjælp af robotter hjælper med at opskalere fremgangsmåden. Genvinding af batterier i stor skala er et stadig vigtigere forskningsområde, fordi antallet af batterier, der skal genvindes i fremtiden, stiger i takt med, at der kommer et rekordstort antal elbiler på vejene, og batteribaserede energilagringssystemer bliver mere og mere udbredte.
Bæredygtig produktion
At imødekomme den hurtigt voksende efterspørgsel efter elbilbatterier kræver en stabil forsyningskæde, som spænder over minedrifts-, fremstillings-, samle- og genvindingsprocesser. Derudover skal branchen sikre en uafbrudt strøm af komponenter og materialer på tværs af geografisk spredte regioner for at opretholde en effektiv produktion af batteripakker.
Overgangen til elektromobilitet rummer udfordringer, men den er en afgørende del af den globale indsats for at reducere kuldioxidudledningen og begrænse mængden af drivhusgasser i atmosfæren. En bæredygtig håndtering af udfordringerne i elbilernes forsyningskæde kræver, at man implementerer en ansvarlig praksis for indkøb af råmaterialer, mindsker miljøpåvirkningen fra minedrift, fører streng kontrol med kvaliteten under fremstilling og samling og fortsætter med at investere i teknologier til batterigenvinding.