Μήπως η παραγωγή μπαταριών δεν είναι περιβαλλοντικά φιλική;

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι εξαιρετικά περίπλοκες συσκευές, εξηγεί ο David Greenwood, ειδικός σε προηγμένα συστήματα πρόωσης στο Warwick Manufacturing Group, «Μια μπαταρία ηλεκτρικού οχήματος είναι ένας συνδυασμός υλικών. Μερικά είναι συμβατικά υλικά, όπως ο χάλυβας και το αλουμίνιο, και άλλα είναι ενεργά υλικά, όπως τα ηλεκτροχημικά συστατικά».

Μια άνοδος μπαταρίας (το αρνητικό ηλεκτρόδιο) κατασκευάζεται συνήθως από γραφίτη με πρόσθετα όπως το πυρίτιο. Ο γραφίτης μπορεί να είναι φυσικός (ως αποτέλεσμα εξόρυξης και επεξεργασίας) ή συνθετικός. Το πιο ακριβό υλικό στη μπαταρία είναι η κάθοδος (το θετικό ηλεκτρόδιο) και αποτελεί περίπου το 30% του κόστους ολόκληρης της μπαταρίας.

«Τα υλικά που χρησιμοποιούνται ποικίλλουν: μερικά προτιμώνται σε οχήματα μεγάλης εμβέλειας, άλλα είναι καλύτερα για φθηνά οχήματα μικρής εμβέλειας και υπάρχουν και κάποιες ενδιάμεσες λύσεις», λέει ο Greenwood. «Οι κυρίαρχες συνθέσεις είναι οι μπαταρίες νικελίου-κοβαλτίου-αλουμινίου [lithium nickel cobalt aluminium oxides (NCA)] και νικελίου-κοβαλτίου-μαγγανίου [Lithium nickel manganese cobalt oxides (NMC)]».

«Το νικέλιο δεν αποτελεί σημαντικό πρόβλημα όσον αφορά στον εφοδιασμό του. Παράγεται ήδη σε τεράστιες ποσότητες για διάφορες βιομηχανικές χρήσεις και χρησιμοποιείται στην παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα και πολλών άλλων βιομηχανικών προϊόντων. Το κοβάλτιο, ωστόσο, είναι προβληματικό. Το μεγαλύτερο μέρος προέρχεται από τη Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό (ΛΔΚ). Περίπου το 70% προέρχεται από μεγάλες εταιρείες εξόρυξης που λειτουργούν σύμφωνα με τα παγκόσμια πρότυπα, αλλά περίπου το 30% είναι από μικρά, άτυπα ορυχεία που δεν είναι καλά εποπτευόμενα και ο τρόπος λειτουργίας τους εγείρει ανθρωπιστικές, εκτός από περιβαλλοντικές, ανησυχίες».

Ωστόσο, η ποσότητα του κοβαλτίου που χρησιμοποιείται στις σύγχρονες μπαταρίες μειώνεται. Μια μπαταρία NMC κάποτε περιείχε έξι μέρη νικελίου, δύο μέρη κοβαλτίου και δύο μέρη μαγγανίου (μια φόρμουλα γνωστή ως 622). Σήμερα, οι μπαταρίες τελευταίας τεχνολογίας διατίθενται με συνθέσεις με μικρότερα ποσοστά κοβαλτίου και μαγγανίου: εννέα μέρη νικελίου, μισό μέρος κοβαλτίου και μισό μέρος μαγγανίου (γνωστό ως 811 ή 955).

Οι μπαταρίες που περιέχουν κοβάλτιο χρησιμοποιούνται συνήθως σε οχήματα μεγάλης εμβέλειας ή υψηλών επιδόσεων και, μέχρι πρόσφατα, σε οχήματα χαμηλής και μεσαίας κατηγορίας. Πλέον είναι διαθέσιμη μια εναλλακτική χημεία, οι μπαταρίες λιθίου-σιδήρου-φωσφορικού (lithium iron phosphate battery, LFP). Η χημεία αυτή είναι χαμηλότερης χωρητικότητας και λιγότερο αποτελεσματική σε σύγκριση με τη χημεία NMC, αλλά δεν περιέχει νικέλιο ή κοβάλτιο. Η προσθήκη μαγγανίου για την παραγωγή μπαταριών χημείας LMFP, βελτιώνει την απόδοση.

Στο μέλλον, θα υπάρχουν δύο κατηγορίες μπαταριών. Στην πρώτη θα κυριαρχούν οι μπαταρίες χημείας NMC, με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα για οχήματα μεγάλης εμβέλειας και υψηλών επιδόσεων και στη δεύτερη, φθηνότερες μπαταρίες χημείας LMFP για οχήματα μεσαίας κατηγορίας και χαμηλού κόστους.

Μακροπρόθεσμα, όπως αναφέρει ο Greenwood, «Η χημεία LFP μπορεί να αντικατασταθεί από τις μπαταρίες ιόντων νατρίου. Μία άλλη τεχνολογία που είναι ιδιαίτερα υποσχόμενη, αλλά και εξαιρετικά αβέβαιη, είναι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Δεν βρίσκονται επί του παρόντος σε στάδιο παραγωγής και, πιθανότατα, απέχουμε περίπου 5 έως 8 χρόνια από αυτό».

Από τα ορυκτά από τα οποία εξαρτώνται οι υπάρχουσες χημείες μπαταριών, τα δύο πιο αμφιλεγόμενα είναι το εξαιρετικά άφθονο λίθιο και το πολύ πιο σπάνιο κοβάλτιο. Το λίθιο εξορύσσεται με δύο τρόπους, εξηγεί ο Caspar Rawles, επικεφαλής ανάλυσης δεδομένων της Benchmark Mineral Intelligence: «Ο πρώτος είναι η τυπική εξόρυξη. Το μετάλλευμα ανάγεται σε συμπύκνωμα περιεκτικότητας 5,5 έως 6% σε λίθιο και στη συνέχεια οδεύει, κυρίως προς την Κίνα, για χημική επεξεργασία». Το μετάλλευμα αποδίδει την κρυσταλλική ουσία spodumene, η οποία περιέχει λίθιο.»

«Ο δεύτερος τρόπος είναι ανάκτηση λιθίου από λίμνες άλμης που βρίσκονται γενικά σε μεγάλο υψόμετρο και ονομάζονται salars. Το λίθιο εκπλένεται από τη γύρω γεωλογία με την πάροδο του χρόνου και η περιεκτικότητα του αυξάνεται στο έδαφος. Η πλούσια σε λίθιο άλμη συλλέγεται φυσικά σε υπόγειες λίμνες και στη συνέχεια αντλείται στην επιφάνεια σε λεκάνες εξάτμισης σε τεράστια κλίμακα. Μόλις η άλμη συμπυκνωθεί αρκετά και σε διάστημα μερικών ετών, υπόκειται σε επεξεργασία για να εξαχθεί το λίθιο.»

Ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος του δεύτερου τρόπου ανάκτησης λιθίου είναι αμφιλεγόμενος και υπάρχει ανησυχία ότι η άλμη που εξάγεται από τα υπόγεια στρώματα αντικαθίσταται από το νερό της βροχής από την επιφάνεια, προκαλώντας ξηρασίες και επηρεάζοντας την άγρια ​​ζωή.

Μια νέα διαδικασία ανάκτησης λιθίου θα μπορούσε να αποτελέσει εναλλακτική λύση στο μέλλον, αλλά δεν είναι καθόλου βιώσιμη εμπορικά σε αυτό το στάδιο. «Ονομάζεται άμεση εξαγωγή λιθίου [Direct Lithium Extraction, DLE]», εξηγεί ο Rawles. «Το λίθιο εξάγεται από την άλμη σε πραγματικό χρόνο και  στη συνέχεια, η άλμη προωθείται ξανά στους υδροφόρους ορίζοντες».

Είναι προφανές ότι τα ηλεκτρικά οχήματα θα αυξήσουν σημαντικά την παγκόσμια ζήτηση για ορυκτά όπως το λίθιο και το κοβάλτιο. «Οι αλυσίδες εφοδιασμού μεγεθύνονται αλλά δεν είναι κοντά στο σημείο που είναι απαιτούμενο για την ενεργειακή μετάβαση» λέει ο Rawles. Η πρόβλεψη είναι ότι οι αλυσίδες εφοδιασμού θα χρειαστεί να μεγεθυνθούν από μερικές εκατοντάδες χιλιάδες τόνους, στην περίπτωση ορισμένων ορυκτών, σε εκατομμύρια τόνους μέχρι το τέλος της τρέχουσας δεκαετίας.

Ωστόσο, είναι προφανές ότι η εξόρυξη ορυκτών πρώτων υλών και η παραγωγή μεταλλικών αξιών δεν είναι ένας νέος τομέας. Όπως επισημαίνει ο Rawles: «Υπάρχουν κίνδυνοι που συνδέονται με κάθε είδος εξόρυξης, είτε πρόκειται για μόλυνση της γης, είτε για εκπομπές ρύπων ή για σωστή αποκατάσταση των εξορυκτικών εκμεταλλεύσεων. Όλα αυτά ισχύουν για το λίθιο, τον χάλυβα, το αλουμίνιο, τον χαλκό, το κοβάλτιο. Οτιδήποτε εξορύσσεται από το έδαφος και χρησιμοποιείται τόσο σε οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης, όσο και σε ηλεκτρικά οχήματα».

Περισσότερο από το 50% του λιθίου στον κόσμο εξορύσσεται στην Αυστραλία, όπου η εξόρυξη υπόκειται σε αυστηρούς περιβαλλοντικούς κανονισμούς.

Αντίστοιχα, το 60% περίπου του παγκόσμιου κοβαλτίου προέρχεται από τη Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό (ΛΔΚ), όπου η εξόρυξη έχει δημιουργήσει διάφορες ανησυχίες. «Η πρόκληση στη ΛΔΚ είναι ότι λίγο περισσότερο από το 50% της παραγωγής προέρχεται από βιομηχανικά ορυχεία που παράγουν τεράστιους όγκους χαλκού και κοβαλτίου», λέει ο Rawles. Στη συνέχεια, υπάρχει μια ομάδα μικρότερων βιομηχανικών ορυχείων και τρίτον τα μικρά βιοτεχνικά ορυχεία (Artisanal Mines, ASM). «Ορισμένα βιοτεχνικά ορυχεία προχωρούν σε παράνομη εξόρυξη, επειδή δε διαθέτουν άδεια. Σε αυτά έχουν καταγραφεί περιπτώσεις παιδικής εργασίας», λέει. «Καταρχάς, δεν υπάρχει τίποτα κακό με την εξόρυξη μικρής κλίμακας με χειρωνακτικό τρόπο και η διαβίωση χιλιάδων ανθρώπων εξαρτάται από αυτό. Απλώς πρέπει να γίνεται με ασφάλεια και να πληροί ορισμένα πρότυπα».

Η ανακύκλωση των μπαταριών ιόντων λιθίου αποτελεί ήδη πρωταρχικό στόχο και όλες οι μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες την επιδιώκουν σε συνεργασία με βιομηχανικούς εταίρους και ακαδημαϊκά ιδρύματα. Στην ΕΕ, η Οδηγία για τις μπαταρίες απαιτεί τουλάχιστον το 50% των μπαταριών να ανακυκλώνονται στο τέλος της ζωής τους, αλλά σύμφωνα με τον David Greenwood του WMG, αυτό το ποσοστό θα αυξηθεί περαιτέρω, επειδή προβλέπεται αυστηροποίηση των απαιτήσεων.

«Η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη στο WMG για αυτό και έχουμε καταθέσει ορισμένες πατέντες», λέει ο Greenwood. «Ελπίζουμε να αυξήσουμε το ποσοστό ανακύκλωσης από 50% σε 80-95% μέχρι το τέλος της δεκαετίας».

Οι μελλοντικοί κανονισμοί είναι πιθανό να υπαγορεύουν ελάχιστες ανακυκλωμένες ποσότητες συγκεκριμένων υλικών όπως το λίθιο, καθώς και να επιβάλλουν τη χρήση συγκεκριμένων κατ'ελάχιστον ποσοτήτων ανακυκλωμένου υλικού σε νέες μπαταρίες. Η διαδικασία ανακύκλωσης μπαταριών κατά κύριο λόγο είναι πυρομεταλλουργική. Το νερό χρησιμοποιείται ως διαλύτης για την ανακύκλωση των ανόδων, ενώ ο τοξικός διαλύτης N-Methyl-2-Pyrrolidone (NMP) που χρησιμοποιείται για τα υλικά καθόδου, δεσμεύεται σε διαδικασία κλειστού βρόχου και επαναχρησιμοποιείται.

Το μεγαλύτερο πρόβλημα δεν είναι η θέληση για ανακύκλωση, αλλά η έλλειψη πρώτων υλών. Και ίσως ακόμη πιο σημαντικό είναι οι μπαταρίες στο τέλος του κύκλου ζωής τους στα οχήματα, να επαναχρησιμοποιούνται σε εφαρμογές σε άλλους κλάδους.

Οι αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν λάβει τα δικά τους μέτρα για να εξασφαλίσουν την ιχνηλασιμότητα των πρώτων υλών που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες τους. Όπως επισημαίνει ο Greenwood, «η αυτοκινητοβιομηχανία κάνει ό,τι μπορεί για να διαχειριστεί τις αλυσίδες εφοδιασμού, γιατί το τελευταίο πράγμα που θέλει είναι άλλο ένα σκάνδαλο όπως το Dieselgate».

Η Mercedes-Benz ανέθεσε στην RCS Global να ελέγξει την αλυσίδα εφοδιασμού της για την προμήθεια κοβαλτίου. Η BMW συμμετέχει στο διοικητικό συμβούλιο της πρωτοβουλίας Responsible Cobalt Initiative που υποστηρίζεται από τη ΛΔΚ. Η Volkswagen εργάζεται σε ένα σύστημα πιστοποίησης για το κοβάλτιο ως μέρος της πρωτοβουλίας Responsible Minerals Initiative. Η Volvo το 2019 δημιούργησε ένα κοινό δίκτυο δεδομένων για να διασφαλίσει την ιχνηλασιμότητα των πρώτων υλών, συμπεριλαμβανομένου του κοβαλτίου. Τέλος, τον Ιανουάριο του 2023, η Global Battery Alliance ανακοίνωσε ένα πιλοτικό έργο για ένα σύστημα διαβατηρίων μπαταριών ώστε να διασφαλίσει ότι κάθε μπαταρία που κατασκευάζεται πληροί τα πρότυπα για τα ανθρώπινα δικαιώματα, την παιδική εργασία και τις εκπομπές ρύπων.

Τελικά, αυτά τα προβλήματα μπορεί να βελτιωθούν με νέες τεχνολογίες χαμηλότερου περιβαλλοντικού αποτυπώματος, οι οποίες αποφεύγουν εντελώς τη χρήση λιθίου. Ένα παράδειγμα είναι οι μπαταρίες ιόντων νατρίου.

«Το νάτριο είναι εξαιρετικά άφθονο και μπορεί να ανακτηθεί από το θαλασσινό αλάτι και από πολλές άλλες πηγές», λέει ο Greenwood. «Είναι μια χαμηλού κόστους, λιγότερο ώριμη τεχνολογία από τη χημεία LFP, αλλά είναι στο σωστό δρόμο. Η ενεργειακή πυκνότητα πρέπει να βελτιωθεί, από περίπου 160 Wh/kg τώρα σε 180-200 Wh/kg. Η τεχνολογία είναι πιθανό να χρησιμοποιηθεί πρώτα σε στατικές εφαρμογές και μετά να εισέλθει στην αγορά των ηλεκτρικών οχημάτων».

Αυτό που φαίνεται ξεκάθαρα είναι ότι η βιομηχανία μπαταριών εξελίσσεται γρήγορα, τόσο στην κατασκευή όσο και στην απόδοση της τεχνολογίας. «Δεν χρησιμοποιούμε μια επιστήμη που μόλις ανακαλύφθηκε», καταλήγει ο Greenwood. «Η καλύτερη χημεία μπαταρίας είναι η καλύτερη για τέσσερα ή πέντε χρόνια, μετά έρχεται κάτι και την αντικαθιστά».

Με πληροφορίες από autocarindia.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR