Stärka batteriets värdekedja

Batteritillverkningsindustrin har sett en massiv tillväxt under de senaste decennierna, vilket har drivits av det allt större behovet av portabilitet och flexibilitet i folks vardag. Det moderna litiumjonbatteriet tillverkades först i liten skala. Från början utvecklades det för användning i konsumentelektronik under 1990-talet och är numera kärnan i mobiltelefoner, bärbara datorer och mycket annat.

Teslas medgrundare Martin Eberhard tog ett stort kliv framåt genom att kombinera flera litiumjonbatterier för att driva elfordon. Han insåg att den teknik som användes för att tillverka batterier till bärbara datorer kunde anpassas för att tillverka dessa betydligt större batterier på ett kostnadseffektivt sätt. Därmed integrerade Tesla och andra elbilstillverkare dessa i sin befintliga batteriförsörjningskedja. 2008 års flaggskepp Tesla Roadster drevs av 6 831 litiumjonbatterier med en räckvidd på 400 km (250 mi) och en topphastighet på mer än 200 km/h (130 mph).

Utöver elbilar är även klimatfrågan en drivande faktor bakom övergången till mer hållbara tekniker för energiproduktion, inklusive vindkraft, solenergi och geotermi. Batterilagring är avgörande på grund av den intermittenta genereringsförmågan hos dessa energikällor. Moderna litiumjonbatterier används även allt oftare för kontinuerlig försörjning av mikronät som stöttar det konventionella elnätet. Detta är särskilt viktigt för datacenter och andra tillämpningar med krav på överflödig energi.

Litium går igenom många steg och processer på sin väg från brytning till grossist- och detaljhandelsmarknader, inklusive gruvdrift, raffinering, batteritillverkning och frakt. Därför återspeglar priset på litiumjonbatterier alla mellanliggande steg. Större litiumjonbatterier kan vara rätt dyra. Ett nytt batteripaket till en Tesla Model S kan t.ex. kosta mellan 8 000 och 10 000  USD.

Batteriets värdekedja består av fyra huvudsakliga etapper:

1. Uppströms: Gruvarbetare bryter litium, kobolt, mangan, fosfat, nickel och grafit för användning vid tillverkningen av litiumjonbatterier.
2. Mittströms: Bearbetningsföretag och raffinaderier producerar aktiva komponenter med katoder och anoder, medan råvaruhandlare köper och säljer dessa aktiva komponenter till företag som sätter ihop battericeller.
3. Nedströms: Batteritillverkare integrerar celler i moduler, vilka därefter säljs till grossister eller återförsäljare.
4. När produkten är uttjänt: Batteriåtervinnare sönderdelar batterierna i enskilda komponenter som återanvänds för att tillverka nya batterier med hjälp av olika metoder.

Litium finns i stora kvantiteter i främst Australien, Argentina, Bolivia och Chile. I Australien används dagbrott med spodumen för att bearbeta majoriteten av litiummalmen. Greenbushes Mine i västra Australien är världens största litiumgruva och den producerar litiumspodumen till ett värde av ca 5,6 miljarder USD årligen.

I Nord- och Sydamerika koncentreras litium från saltlake som återfinns under gamla saltslätter. Producenterna borrar sig ner i dessa saltfyllda akviferer och pumpar därefter in vätska i de torkade bäddarna, där större delen av vätskan dunstar och efterlämnar litiumsalt. Andra mineraler som t.ex. brom kan också utvinnas från koncentraten i de torkade bäddarna.

Efter att råvaran har utvunnits måste den raffineras till användbara format. Enligt Bloomberg NEF är Kina, Sydkorea och Japan världens största batteritillverkare. Kina dominerar just nu den globala försörjningskedjan för litiumjonbatterier. De producerar 80 % av alla litiumjonbatterier, 70 % av alla katoder och 80 % av alla anoder. Dessutom bearbetar och raffinerar Kina mer än hälften av världens litium, fosfat, kobolt och grafit.

Tvåan och trean, Sydkorea och Japan, står för en betydligt lägre andel av batteriproduktionen. Sydkorea producerar 15 % av världens katodelektroder och 3 % av dess anodelektroder, medan Japan står för 14 % respektive 11 %.

Raffineringsprocessen för litiummalm har anammat processer från cementtillverkningen, inklusive malning, kalcinering, fräsning och sulfatering. Urlakning och filtrering används för att avlägsna andra mineraler, såsom aluminiumoxid, mangan och kalcium. Denna process fortsätter tills litiumkarbonat av batterikvalitet erhålls.

Batteritillverkning kräver att man sätter ihop en komplett battericell och så småningom kombinerar flera celler. Viktiga komponenter är katoder, anoder och elektrolyter. Litiumjonkatoder består främst av litium och anoder av kol. Varje cell innehåller en separator och ett hölje som rymmer batterimaterialen, vilket fylls med en ledande elektrolyt.

Anoden och katoden tillverkas genom att man skapar en slurry av aktiva material, ledande agenter och bindemedel. Denna slurry deponeras sedan på en plastfilm eller ett foliesubstrat. Folien skärs, trimmas och kalandreras samt plattas till mellan två trycksatta rullar för att passa batteriet och torkas senare. Lösningen tas tillvara för återanvändning.

När anoden och katoden är klar placeras en separator mellan dem. Därefter fylls hela höljet med elektrolytgel.

Utöver de vanliga utmaningarna i försörjningskedjan har batteriets värdekedja unika egenskaper som kräver kritisk tillsyn för att säkerställa säkerhet och hållbarhet. Först och främst måste försörjningskedjor hanteras varsamt för att säkerställa ett konstant flöde av saltlösning, malm och andra nödvändiga råvaror. Även om större delen av tillverkningen är belägen i Kina, så kommer råvarorna från världens alla hörn. Därmed kan eventuella fraktstörningar skapa totalt kaos.

Dessutom genererar tillverkningen av litiumjonbatterier avfall i solid form, vätskeform och gasform. Detta skapar en potential för negativ miljöpåverkan, särskilt i regioner med slappa miljörestriktioner.

Det är avgörande att upprätthålla strikta standarder för tillverkning, avfallshantering och återvinning av litiumjonbatterier på grund av deras inneboende risk för brand eller explosion. Förfalskade batterier från oansvariga källor kan öka dessa risker.

Återvinningen av litiumjonbatterier kan också vara svår. Även om de betecknas som farligt avfall kan tillverkare uppnå betydande energibesparingar genom att återanvända dessa batterier, samtidigt som de eliminerar de negativa miljöeffekterna vid avfallshantering.

Kostnaderna vid produktionen av litiumjonbatterier är höga på grund av att råvaran måste hålla en så hög kvalitet, liksom kraven på kvalitetskontroller, avancerade tillverkningsmetoder samt den höga efterfrågan. Det krävs exempelvis 289 ton malm, 750 ton saltlösning eller 28 ton litiumjonbatterier för att producera ett ton ren litium av batterikvalitet.

Forskare undersöker möjligheten att natriumbatterier kan ta itu med dessa utmaningar. Natrium finns i större kvantiteter än litium, är enklare att utvinna och är dessutom mycket billigare. Det är också mindre flyktigt och stabilare.

Flödesbatterier som lagrar energi i en flytande elektrolyt studeras också för att eventuellt kunna användas vid energilagring i större skala. Denna typ av batterier består av två eller flera tankar som rymmer elektrolyten, som pumpas genom en elektrokemisk cell för att producera elektricitet.

Natriumjonceller och flödesbatterier har dock en lägre energidensitet utslaget över volym och vikt jämfört med litiumjonbatterier. De är dessutom inte lika effektiva, vilket resulterar i tillämpningar som är mindre tillförlitliga. Därför kommer litiumjonbatterier även under en överskådlig framtid att förbli den primära tekniken.

Litiumjonbatterier har revolutionerat den portabla strömförsörjningen genom att möjliggöra transformativa tekniker som smarttelefoner, batteridrivna elverktyg, elfordon och mikronät. I takt med att världen alltmer vänder sig till förnybar energi och elmobilitet kommer efterfrågan på batterier hela tiden att öka. Den komplexa och globala värdekedjan för litiumjonbatterier är dock full av stora utmaningar.

Global hållbarhet kräver att man kan säkerställa etisk anskaffning av råvaror, minska miljöpåverkan genom hela produktionsprocessen samt tackla problemet med återvinning av batterierna. Medan elektrokemiska alternativ som natriumjonbatterier är lovande, är litiumjontekniken fortsatt dominerande inom batteriindustrin. Litiumjonbatterier är endast en komponent inom den globala energiomställningen och arbetet för att reducera koldioxidutsläpp och nå nettonollutsläpp år 2050.