Vigtige mineraler er drivkraften bag batteriinnovation

Globale tendenser inden for energiomstilling og elektrificering styrker mobilitet og elektrisk tilpasningsevne, herunder den gradvise indførelse af elbiler (EV) og løsninger til lagring af vedvarende energi. Disse tendenser har fået innovatorer inden for industrien til at fokusere på batteriteknologi. Drevet af en stadigt stigende efterspørgsel i hele industrien er batteriproduktionen steget kraftigt i de seneste årtier med nye kilder til batterimineraler og forbedret effektivitet i produktionsprocesser og teknologi. 

Inden for batterikemi bidrager kombinationen af mineraler til den generelle ydeevne. Forskellige grundstoffer og forbindelser kombineres for at danne elektroderne og elektrolytten i hver celle, og deres samspil definerer batteriets egenskaber. Denne side følger de vigtige mineralers rejse fra jorden til de batterier, der driver de mobile og elektriske systemer, som den moderne verden i stigende grad er afhængig af. Den undersøger også udfordringer og strategier for at bevare forsyningskædens stabilitet. 

Litium-ion-batterier (Li-ion-batterier) er langt den vigtigste type blandt de aktuelle batterier. Disse enheder er afhængige af en kompleks kombination af mineraler og materialer, som hver især bidrager til batteriets unikke egenskaber. Litium er den mest fremtrædende grundstofkomponent, men der skal også bruges andre mineraler til fremstilling af Li-ion-celler.

Et batteris katode har indflydelse på flere vigtige egenskaber, herunder energitæthed, effekt og cellens levetid.

Kobolt er efterspurgt på grund af sin høje energitæthed og stabilitet og bruges ofte i katoder til Li-ion-batterier, især til elbiler. Men koboltminer er forbundet med flere etiske problemer end de fleste andre batterimineraler, hvilket kræver, at ansvarlige batteriproducenter sporer oprindelsen i forsyningskæden, samtidig med at de holder upstream-interessenter ansvarlige for sund praksis. EU har for eksempel indført regler for det, der kaldes konfliktmineraler. De har til formål at begrænse brugen af mineraler, der finansierer væbnede konflikter eller udvindes under forhold, der krænker menneskerettighederne.

Nikkel bruges også ofte i Li-ion-katoder, hvilket giver endnu højere energikapacitet i forhold til både vægt og volumen. Men udvinding af nikkel giver anledning til miljømæssige bekymringer på grund af den potentielle indvirkning på følsomme økosystemer. Disse effekter kan være skovrydning, mistede levesteder og vandforurening i de havområder, hvor mineralet hovedsageligt stammer fra, såsom Indonesien og Filippinerne. Derfor har den fremtrædende amerikanske elbilproducent Tesla erklæret, at de ikke længere vil bruge nikkelbaserede Li-ion-batterier i fremtiden.

Mangan er mere udbredt og billigere end nikkel og kobolt, men ikke så energitæt i forhold til vægt eller volumen. Men den lavere energitæthed gør det mindre reaktivt eller brandfarligt og derfor mere sikkert at bruge i bestemte typer Li-ion-batterier, f.eks. litium-mangan-fosfat-batterier. Derfor foretrækker producenter af elværktøj og andre omkostningsfølsomme producenter ofte dette mineral til brug i deres batterier.

Anoder udgør den negative elektrode i et batteri, som primært er konstrueret af grafit, en lettilgængelig og billig allotrop af kulstof. Grafitminedrift giver dog også anledning til miljømæssige overvejelser, primært potentiel støvforurening, vandforurening og jordforringelse. Det er derfor afgørende for en bæredygtig drift, at man beskæftiger sig med disse problemer.

I nogle nyere batterier med høj densitet er anoden lavet af silicium i stedet for grafit på grund af dens evne til at lagre flere litiumioner. For elbilindustrien betyder det øget rækkevidde og opladningshastighed. Men siliciums tendens til at udvide sig og trække sig sammen under opladning og afladning udgør en sikkerhedsrisiko, som skal mindskes i cellekonstruktionen.

Elektrolytten mellem et batteris katode og anode muliggør strømmen af ioner. Den består typisk af litiumsalte opløst i organiske opløsningsmidler. Litiumhexafluorofosfat, der dannes ved, at litiumfluorid reagerer med visse opløsningsmidler, dominerer i øjeblikket markedet for Li-ion-elektrolytter, men forskere undersøger også alternative litiumsalte og faststofelektrolytter.

Litium findes hyppigst i sydamerikanske saltvandsaflejringer og hårde, australske klippeformationer. Det udvindes normalt ved hjælp af store inddampningsbassiner eller almindelige minedriftsmetoder. Begge udvindingsmetoder kræver ansvarlig omhu for at minimere skader på lokale vandressourcer og økosystemer.

I modsætning til mange metaller raffineres litium ikke til en metallisk tilstand, men snarere til opløselige forbindelser med høj renhed, såsom litiumkarbonat eller litiumhydroxid.

Brineudvinding kræver opkoncentrering af litiumsalte fra underjordisk brine i koncentrationer på 200 til 1400 mg/l, typisk ved hjælp af store inddampningsbassiner. Når processen anvendes i stor skala, er processen tidskrævende og forbruger meget vand.

Når brinen er koncentreret, gennemgår den en række kemiske reaktioner for at udfælde uønskede forbindelser. Det resulterer til sidst i krystallisering, således at der kan udvindes litiumkarbonat. Omhyggelig overvågning af disse reaktioner og effektive filtreringsprocesser er afgørende for at maksimere udvindingen af litium og minimere spild.

Man kan også udvinde litium direkte, hvilket er en mere bæredygtig måde at udvinde litium fra brine på uden brug af inddampningsbassiner. Denne proces anvender adsorberende materialer med affinitet for litium. Den indeholder lermineraler og ionbytterharpiks til at opsamle litiumrige opløsningsmidler fra brinen. Når adsorbenterne er mættet med litiumioner, udsættes de for desorption, og litiumopløsningen opsamles. Desværre er denne proces endnu ikke bæredygtig i den skala, der kræves for at imødekomme den kommercielle efterspørgsel efter litium.

Minedrift i hårde bjergarter indebærer, at man bryder spodumenmalm, knuser den og omdanner den til beta-spodumen ved at opvarme den ved høj temperatur i roterovne. Hele processen er ret energikrævende.

Når malmen er omdannet, gennemgår den kemiske reaktioner, som f.eks. brineudvindingsprocessen, der gradvist fjerner urenheder. Dette fortsætter trin for trin, indtil der kun er litiumkarbonat tilbage med mindre biprodukter i lave koncentrationer. Den kemiske forbindelse skal renses yderligere ved at tilsætte en litiumbikarbonatopløsning, hvorefter forbindelsen filtreres og genopvarmes, indtil der fås litiumkarbonat af batterikvalitet. Denne kvalitet er kendt som "de fem nitaller" eller 99,999% renhed.

Ligesom litium skal andre batterimineraler raffineres for at opnå tilstrækkelig renhed, før de bruges til fremstilling af battericeller. Det kræver typisk en række kemiske og fysiske omdannelser, som varierer afhængigt af det specifikke mineral og dets anvendelsesformål. Mens litiumraffinering kræver flere forskellige stadier af rensning og filtrering, adskilles kobolt og nikkel ved hjælp af indviklede pyrometallurgiske eller hydrometallurgiske processer.

Efter raffineringen bruges materialerne med høj renhed til at fremstille batterikomponenter. Katode- og anodematerialer syntetiseres ved hjælp af præcise blandings-, opvarmnings- og coatingprocesser, som hver især kræver pålidelig måling og kvalitetskontrol for at sikre optimal batteriydelse. 

Elektrolytterne sammensættes ved omhyggeligt at opløse litiumsalte i rene opløsningsmidler, samtidig med at fugtindtrængningen begrænses for at forhindre nedbrydning af batteriet samt sikkerhedsrisici. Disse komponenter samles så ved at blive lagt i lag, pakket ind og forseglet hermetisk for at forhindre lækage og sikre lang levetid.

Under samlingen kombineres de enkelte celler til batteripakker og -moduler, der er skræddersyet til specifikke anvendelser, herunder smartphones, elbiler og avancerede batteribaserede strømstyringssystemer.

Batterimineralernes rejse slutter ikke med deres første anvendelse. I takt med at industrien og offentligheden bliver opmærksom på, at disse ressourcer er begrænsede, og at udvinding og forarbejdning af dem påvirker miljøet, vokser ønsket om at indføre principperne for cirkulær økonomi. For at opnå dette skal mulighederne for at genvinde batterier forbedres, så det bliver muligt at genvinde værdifulde mineraler fra udtjente batterier. Det reducerer afhængigheden af ny minedrift og mindsker svaghederne i forsyningskæden.

Efterhånden som efterspørgslen efter litium-ion-batterier stiger, er det vigtigt at optimere mineraludvinding, produktion og genbrugsprocesser for at sikre en fortsat bæredygtig drift og minimere miljøskader. Foranstaltninger, der skal overvejes, omfatter implementering af håndfaste strategier for vandforvaltning, nøje overholdelse af regionale miljøbestemmelser og investeringer fra mineselskaber og interessenter i direkte litiumudvinding.

Produktion af batterimineraler er et udtryk for den indbyrdes sammenhæng mellem teknologi, miljø og sociale bevægelser. I takt med at menneskeheden går gennem den store energiomstilling og kollektivt bevæger sig mod kulstofneutrale mål, skal industrien integrere etik, miljøbeskyttelse og rentabilitet i sine langsigtede bæredygtighedsstrategier. Fortsat succes kræver teknologiske fremskridt, etisk anskaffelse af råmaterialer og generelt bæredygtig produktion.