Optymalizacja i rozwój łańcucha wartości w sektorze baterii

W ostatnich dziesięcioleciach branża produkcji akumulatorów przeżywała dynamiczny wzrost, który był spowodowany coraz większym znaczeniem urządzeń przenośnych w życiu codziennym i ich elastycznością. Nowoczesna bateria litowo-jonowa (Li-ion) początkowo miała małe rozmiary, gdyż była opracowana w latach 90-tych do stosowania w sprzęcie elektronicznym, a obecnie jest podstawowym wyposażeniem telefonów komórkowych, laptopów ale nie tylko.

Współzałożyciel Tesli, Martin Eberhard, wykonał znaczący krok naprzód, montując dużą liczbę baterii litowych w celu zasilania pojazdów elektrycznych. Zdał sobie on sprawę, że technologie stosowane do produkcji akumulatorów do laptopów można w sposób opłacalny adaptować do produkcji znacznie większych akumulatorów. W rezultacie Tesla i inni producenci pojazdów elektrycznych zintegrowali je z istniejącym łańcuchem dostaw akumulatorów. Flagowy model Tesla Roadster z 2008 roku był napędzany 6831 bateriami litowo-jonowymi, miał zasięg 400 km (250 mil), a prędkość maksymalna przekraczała 200 km/h (130 mph).

Oprócz pojazdów elektrycznych, obawy związane z klimatem powodują przejście na zrównoważone techniki wytwarzania energii, np. energię wiatrową, słoneczną czy geotermalną. Magazynowanie energii w akumulatorach jest niezbędne ze względu na niestabilność tych źródeł energii. Nowoczesne baterie litowe są również coraz częściej wykorzystywane do ciągłego zasilania mikrosieci, jako uzupełnienie tradycyjnej sieci elektroenergetycznej. Jest to szczególnie ważne w przypadku centrów danych i innych aplikacji, w których wymagana jest redundancja zasilania.

Lit w swej drodze od wydobycia z ziemi do pojawienia się na rynkach hurtowych i detalicznych, jest poddawany wieloetapowej przeróbce, obejmującej wydobycie, rafinację, produkcje akumulatorów i wysyłkę. Dlatego też cena akumulatorów litowych odzwierciedla wszystkie etapy pośrednie. Większe akumulatory litowe mogą być dość drogie. Przykładowo, zapasowy akumulator pojazdu Tesla Model S to koszt od 8000 do 10000 USD.

Łańcuch wartości akumulatora obejmuje cztery główne etapy:

1. Początkowy: W przedsiębiorstwach wydobywczych wydobywany jest lit, kobalt, mangan, fosforany, nikiel i grafit wykorzystywane w produkcji akumulatorów litowo-jonowych.
2. Środkowy: Przedsiębiorstwa przetwórcze i rafinerie produkują aktywne komponenty katod i anod, a handlowcy kupują i sprzedają je firmom montującym ogniwa baterii.
3. Końcowy: Producenci akumulatorów budują moduły złożone z ogniw, które są następnie sprzedawane hurtownikom lub sprzedawcom detalicznym.
4. Wycofanie z eksploatacji: Firmy zajmujące się recyklingiem akumulatorów rozkładają zużyte akumulatory na pojedyncze komponenty, ponownie wykorzystywane do produkcji nowych akumulatorów z zastosowaniem różnych technologii.

Lit występuje w ilościach komercyjnych głównie w Australii, Argentynie, Boliwii i Chile. W Australii większość rudy litu jest wydobywana w odkrywkowych kopalniach spodumenu. Kopalnia Greenbushes w Australii Zachodniej jest największą na świecie kopalnią litu w skałach twardych, której wartość produkcji spodumenu - rudy litu, wynosi około 5,6 mld USD rocznie.

W Ameryce Północnej i Południowej lit pozyskuje się z solanek występujących pod dawnymi solniskami. Producenci wykonują odwierty w słonych warstwach wodonośnych, następnie pompują ciecz do wnętrza poletek osuszających, gdzie większość odparowuje, pozostawiając sole litu. Z koncentratów z poletek osuszających można również pozyskiwać inne minerały, np. brom.

Po wydobyciu surowce należy poddać rafinacji do postaci nadającej się do dalszego wykorzystania. Według Bloomberg NEF , największe na świecie kraje, w których produkowane są akumulatory to Chiny, Korea Południowa i Japonia. Aktualnie globalny łańcuch dostaw akumulatorów litowo-jonowych jest zdominowany przez Chiny, gdzie produkuje się 80% wszystkich akumulatorów litowo-jonowych, 70% katod i 80% anod. Dodatkowo, w Chinach przetwarzana i rafinowana jest ponad połowa światowej ilości litu, fosforanu, kobaltu i grafitu.

Wiceliderzy, Korea Południowa i Japonia odpowiadają za znacznie mniejszą produkcję baterii. W Korei Południowej produkuje się 15% światowej ilości elektrod katodowych i 3% elektrod anodowych, natomiast w Japonii odpowiednio 14% i 11%.

W procesie rafinacji rudy litu wykorzystywane są technologie znane z produkcji cementu, w tym rozdrabnianie, prażenie, mielenie i siarkowanie. Ługowanie i filtrowanie jest stosowane do usunięcia innych minerałów takich, jak tlenek glinu, mangan i wapń. Proces ten jest kontynuowany do momentu uzyskania węglanu litu klasy akumulatorowej.

Produkcja akumulatorów polega na montażu pojedynczych ogniw, a następnie montażu tych ogniw w całość. Główne komponenty to katoda, anoda i elektrolit. Katody litowo-jonowe są wykonane głównie z litu, a anody z węgla. Każde ogniwo zawiera separator i obudowę mieszczącą materiały akumulatorowe, wypełnioną przewodzącym elektrolitem.

Anoda i katoda jest wykonywana poprzez utworzenie zawiesiny złożonej z materiału aktywnego, środków przewodzących i spoiwa. Zawiesina ta jest następnie nakładana na błonę lub folię stanowiącą podłoże. Potem następuje cięcie folii, wyrównywanie brzegów, kalandrowanie i kalibrowanie między dwoma walcami dociskowymi w celu dopasowania do baterii, a następnie suszenie. Rozpuszczalnik jest odzyskiwany do ponownego użycia.

Po zakończeniu wykonywania anody i katody, pomiędzy nimi montowany jest separator. Następnie cała obudowa jest wypełniana elektrolitem żelowym.

Oprócz typowych wyzwań związanych z łańcuchem dostaw, łańcuch wartości akumulatorów posiada unikalne cechy, które wymagają profesjonalnego nadzoru celem zapewnienia bezpieczeństwa i zrównoważonego rozwoju. Po pierwsze, łańcuchy dostaw muszą być odpowiednio zarządzane, aby zapewnić stałe dostawy solanek, rud i innych niezbędnych surowców. Mimo, że znaczna część produkcji akumulatorów koncentruje się w Chinach, surowce pochodzą z całego świata, więc wszelkie przerwy w dostawach mogą powodować chaos.

Ponadto technologie produkcji akumulatorów litowo-jonowych są związane z wytwarzaniem odpadów stałych, ciekłych i gazowych. Stwarza to potencjalne negatywne skutki dla środowiska, szczególnie w regionach gdzie obowiązują mało rygorystyczne ograniczenia związane z ochroną środowiska.

Kluczowe znaczenie ma egzekwowanie surowych norm dotyczących produkcji, utylizacji i recyklingu akumulatorów litowo-jonowych ze względu na nieodłącznie związane z tym ryzyko pożaru lub wybuchu. Podróbki akumulatorów pochodzące z niepewnych źródeł mogą powodować potęgowanie się tych zagrożeń.

Recykling akumulatorów litowo-jonowych również może stwarzać problemy. Choć akumulatory te są uważane za odpady niebezpieczne, producenci są w stanie uzyskać znaczne oszczędności energii dzięki ponownemu ich wykorzystaniu, eliminując jednocześnie negatywne skutki dla środowiska związane z utylizacją.

Koszty produkcji akumulatorów litowo-jonowych są wysokie ze względu na wymaganą jakość surowców, nacisk na kontrolę jakości, skomplikowane technologie produkcji i wielkość zapotrzebowania. Przykładowo, do otrzymania jednej tony litu klasy akumulatorowej trzeba zużyć 289 ton rudy, 750 ton solanki lub 28 ton akumulatorów litowo-jonowych.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy badają możliwość produkcji akumulatorów sodowo-jonowych. Sód jest znacznie bardziej rozpowszechniony niż lit, łatwiejszy do wydobycia i znacznie tańszy. Ponadto jest mniej lotny i bardziej stabilny.

Akumulatory przepływowe, w których energia jest magazynowana w ciekłym elektrolicie, są również badane pod kątem wykorzystania jako magazyny energii na skalę przemysłową. Akumulatory tego typu składają się z dwóch lub kilku zbiorników elektrolitu, który jest pompowany przez ogniwo elektrochemiczne wytwarzające energię elektryczną.

Jednak w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi ogniwa sodowo-jonowe i akumulatory przepływowe mają mniejszą objętościową i wagową gęstość energii. Mają one także mniejszą wydajność, co czyni je mniej niezawodnymi w końcowym zastosowaniu. Dlatego też w dającej się przewidzieć przyszłości technologią pierwszego wyboru pozostaną akumulatory litowo-jonowe.

Akumulatory litowo-jonowe zrewolucjonizowały przenośne źródła zasilania, umożliwiając rozwój technologii transformacyjnych, takich jak smartfony, elektronarzędzia, pojazdy elektryczne i mikrosieci. Ponieważ świat zmierza w kierunku energii odnawialnej i elektromobilności, popyt na akumulatory będzie tylko rósł. Jednak skomplikowany i globalnie powiązany łańcuch wartości baterii litowych stwarza poważne wyzwania.

Globalny zrównoważony rozwój wymaga zapewnienia etycznego pozyskiwania surowców, zmniejszenia wpływu na środowisko w całym procesie produkcyjnym i rozwiązania problemu recyklingu akumulatorów. Mimo, że alternatywne ogniwa elektrochemiczne, takie jak akumulatory sodowo-jonowe, są obiecujące, to technologia akumulatorów litowo-jonowych wciąż dominuje. Akumulatory litowo-jonowe są tylko jednym z elementów globalnej transformacji energetycznej i działań na rzecz redukcji emisji dwutlenku węgla, celem osiągnięcia zerowej emisji netto do roku 2050.