sendt den 11. juni 2020 af Cameron Tarry og Faith Martines-Smith
introduktion
er du klar over, hvor mange minutter du bruger på din telefon hver uge? I gennemsnit bruger voksne mere end 3 timer om dagen på en smartphone, men har du nogensinde holdt pause for at tænke over, hvad din mobiltelefon er lavet af? Sikker på, at der er et glasdæksel, noget metal og plast, men hvad med batteriet?
mobiltelefoner vejer ~7 ounces, og batteriet er 1/5th af det.1 De fleste telefoner er afhængige af et lithium-ion-batteri, der bruger mindre end et gram (3/100ths af en ounce) lithium som “medium” til energilagring.2 da lithium skaber ioner, strømmer de mellem anode og katode for at skabe en ladning. Temmelig cool, højre!
men for det lille spor af lithium skal vi kunne tekst Mor, forsyningskæden for at få det er virkelig kompliceret.
Lithium-ion — batterier findes ikke kun i vores telefoner-de er faktisk i centrum for vores overgang til ren energi. Andre materialer som grafit, som også bruges i batterier; og tellurium, der bruges i næste generations solceller, er vigtige, men lithium driver bestemt markedet for batterilagring. Stort set alt — fra din telefon til elektriske køretøjer til lageropbevaringsløsninger-Finder applikationer til lithium.3
måske har du læst om det nye lithium-ion-batteri, som Tesla arbejder på med den kinesiske batteriproducent Contemporary Ampereks Technology Co. Ltd. (CATL) det siges at vare i mere end 1 million miles og ville have en jordrystende indvirkning på batteriteknologien.4 Men der er et stort spørgsmål: Hvor kommer lithium og andre kritiske materialer fra? I dag er svaret — ikke USA
USAs nationale sikkerhed svækkes, hvis evnen til at bygge i USA afhænger af materialer og udvekslinger langt uden for amerikansk kontrol.
kritisk, men ikke indenlandsk
i 2018 offentliggjorde det amerikanske indenrigsministerium en liste over 35 kritiske mineraler: mineraler, der er “kritiske for De Forenede Staters økonomiske og nationale sikkerhed.”5 disse mineraler er afgørende for driften af nøglesektorer som rumfart, forsvar, energi, elektronik og transport, men har forsyningskæder, der er lette at forstyrre.6 for det første kan disse mineraler findes i jordskorpen, men udvindes eller forarbejdes kun på koncentrerede geografiske steder. Komponenter af nogle lithium-ion-batterier, som grafit, lithium, kobolt og mangan, er også på denne liste.
USA importerer de fleste af disse kritiske mineraler i varierende mængder. Selvom USA er førende inden for produktion af beryllium og helium, er det helt afhængig af import til 14 af mineralerne, herunder bauksit, den primære kilde til aluminium og tantal, som er en kondensator i nogle elektronik. I modsætning hertil er Kina langt den førende producent af kritiske mineraler og dominerer produktionen af 16 af dem.7
Kina er den førende producent af kritiske mineraler, mens USA importerer 14 af dem
og hvad så? Lad os se på batterier som et eksempel. Mange lithium-ion-batterier bruger kobolt i deres katode. På trods af at den er så udbredt, produceres over 90% af kobolt som et biprodukt ved udvinding af andre ressourcer, hvilket gør produktionen afhængig af faktorer udover efterspørgslen efter batterier. Desuden er over 65% af den globale produktion koncentreret i Den Demokratiske Republik Congo, et land, hvor FN stadig opretholder en fredsbevarende tilstedeværelse.8,9 således er verden ikke kun afhængig af et land for dets forsyning, men denne forsyning kan muligvis afskæres af en geografisk specifik eller ikke-relateret begivenhed. Selvom det kun er en investor i mange koboltminer, kontrollerer Kina 70% af kapaciteten til at omdanne koboltmalm til koboltkemikalier til batteriindustrien, hvilket giver dem yderligere kontrol over forsyningskæden.
som mange af disse kritiske mineraler står lithium over for de samme udfordringer. Selvom det er rigeligt, er lithium svært at udvinde og behandle. Mest lithiumminedrift er koncentreret i Latinamerika og Australien, mens Kina kontrollerer det meste af forarbejdningskapaciteten; Australien alene kan prale af fem af de ti største lithiumaflejringer i verden, og over 60% af lithiumforarbejdning forekommer i Kina.10,11 produktion af lithiumkemikalier og slutprodukter spænder over lande som Kina, Japan og Sydkorea. Selv når man handler med allierede, er lithiumforsyningskæden virkelig global. amerikansk. evnen til at fremstille batterier er afhængig af faktorer uden for dens kontrol — globale handelspriser, udenlandsk minedrift og forarbejdningskapacitet eller endda en pandemi, der begrænser international handel. Da USA ser ud til at bringe mere kritisk mineralproduktion hjem, lad os spore lithium fra jorden til vores lommer som et casestudie.
grave dybere
Lithium udvindes fra forskellige kilder: saltlage og hård rock, med andre som Ler under udforskning. Omkring halvdelen af verdens lithium kommer fra grundvand saltvand, vand rig på lithiumsalt. Grundvand saltvand er mest almindeligt udvundet i Sydamerika. Adgang til dette lithium indebærer at pumpe vandet til overfladen og lade det sidde i store damme i måneder eller år, indtil lithiumkoncentrationen er høj nok. Lithium kan også udvindes fra hård sten i jorden i en traditionel mine. Disse mineraler er, hvordan mest lithium opnås i Australien og var den vigtigste kilde til lithium før opdagelsen af de sydamerikanske lithiumreserver.12 hver af disse typer minedrift står over for miljøproblemer: saltvand for dets vandforbrug og fodaftryk og traditionelle miner for deres fodaftryk og udvaskning af kemikalier.13
når den er ude af jorden, skal lithiumforbindelsen forarbejdes til et brugbart produkt. Lithium kemikalier, ikke lithium alene, anvendes i batterier og andre produkter. Dette betyder, at lithium forarbejdes fra en forbindelse til en anden, der kan bruges.14 Disse forarbejdningsanlæg er højt specialiserede, da forskellige kunder kræver forbindelser med specifikke sammensætninger og renheder.15 processerne er også ret energiintensive og tilføjer et indlejret kulstofaftryk, når forarbejdningsanlæggene er placeret i højemitterende lande. De fleste lithiumbehandlingsfaciliteter er i Kina, der producerede over 60% af verdens lithium i April 2019.16 dette betyder, at forsyningskæden for et lithiumbatteri virkelig afhænger af den globale handel, selvom produktionsanlægget til selve batteriet er i USA.
et overraskende element i denne forsyningskæde kommer med fremstilling af batteriet, selvom lithiumbehandling står over for lignende bekymringer. At fremstille et lithium-ion-batteri er også en energiintensiv fremstillingsproces. Ofte kommer denne energi fra kulstofemitterende kilder, og når den gør det, tegner den energi sig for halvdelen af et lithium-ion-batteris kulstofaftryk. Transport også faktorer i; forsendelse af lithium fra Chile til Kina til Japan eller Sydkorea tilføjer et ikke ubetydeligt drivhusgasfodaftryk; bare transport af færdige battericeller fra Sydkorea til Michigan tilføjer et 4.1 kg CO2e/KVH fodaftryk.17
nu har vi brikkerne på plads, lad os se på et lithium-ion-batteri, der har været i rampelyset: det i en Tesla-bil, hvis Semi-truck-iteration for nylig blev forsinket på grund af batteriproduktionsbegrænsninger. En elbil har brug for en massiv mængde lithium; batteripakken i en Tesla Model S har brug for 140 pund lithium, mængden i 10.000 mobiltelefoner.18 Tesla kilder lithium fra Australiens Kidman Resources Mines, en hard rock mine; virksomheden samarbejdede for nylig med kvm, et chilensk selskab, for at udvikle Mt. Holland Lithium projekt i det vestlige Australien for at tilføje mere minedrift kapacitet til Tesla. Stenen sendes derefter til Kinas Ganfeng Lithium til forarbejdning til lithiumhydroksid, den kemiske Tesla bruger i sine batterier. Dette kemikalie sendes til Teslas produktionsfaciliteter i Nevada, Californien og Shanghai for at blive lavet til et batteri. Så selvom mange Model 3 elektriske køretøjer er fremstillet i Fremont, CA, at fremstillingen er afhængig af et net af virksomheder, processer, og kæder, der kredser om kloden. Selv Teslas planlagte soldrevne Gigafactory, der allerede er den højeste volumen batterifabrik i verden, bringer kun det endelige fremstillingselement i batteriforsyningskæden til USA.
at gøre denne proces mere kompliceret er, at hvert trin – minedrift, forarbejdning og endelig fremstilling af slutbrug – i sagens natur er knyttet til efterspørgslen i slutningen af forsyningskæden. Mt. Holland-projektet afhænger af, at Tesla ønsker flere batterier. Batterikemi er skrøbelig, hvilket betyder, at en lithiummine og behandlingsanlæg skal være i stand til pålideligt at producere konsistente lithiumkemikalier; et projekt til at producere mere lithium er således drevet af at have en off-taker. Prisen på lithium afhænger af det globale marked, hvilket betyder, at risikoen for at gå i gang med et nyt projekt uden en kunde i tankerne er uoverstigelig.19 dette kan skabe et kylling-og-æg-problem: det er næsten umuligt at bygge en mine uden en off-take-partner, og det er vanskeligt at få en sådan aftale uden først at etablere kapaciteter i kommerciel skala.20
hvis USA. ønsker at muliggøre en indenlandsk lithiumforsyningskæde, har den således mange forskellige stadier og processer at opbygge, såvel som fremstillings -, miljømæssige og økonomiske faktorer at kæmpe med. Heldigvis giver stor efterspørgsel fra den eksploderende vækst af elektriske køretøjer, Seriøst geologisk potentiale og en fremstillingserfaret arbejdsstyrke USA frugtbar grund til at bygge. Nu forstår vi processen bag et lithium-ion-batteri, lad os vende tilbage til USA
nuværende amerikanske kapaciteter
i øjeblikket har USA lave kapaciteter, men højt løfte: betydelige lithiumaflejringer, men kun en håndfuld operationer. Et amerikansk firma, Albemarle, har faciliteter i North Carolina, Tennessee og Nevada. I dag er Albemarles Nevada-site Den eneste aktive lithiummine i USA, der ekstraherer lithium fra saltlage ved hjælp af fordampningsdamme. Virksomheden udvindede også historisk hard rock på sit North Carolina-sted; Albemarle driver i øjeblikket et kemisk konverteringsanlæg i North Carolina og undersøger potentialet for at genstarte North Carolina-minedrift.21 derudover udvikler det canadiske firma Lithium Americas project Thacker Pass, som vil være den næststørste lithiummine i verden ved idriftsættelse. Projektet er indstillet til at starte produktionen i 2022 og vil bruge en åben pit-metode til at udvinde ler.22
amerikansk Innovation på arbejdspladsen
USA er moden med potentiale til at udvikle mere af lithiumforsyningskæden. I dag er der flere projekter under udvikling, der ikke kun udvider den amerikanske lithiumproduktion, men finder mere miljøvenlige og økonomiske måder at gøre det på. Deres geografiske og tekniske mangfoldighed giver en lang række eksempler på en fremtidig amerikansk litiumforsyningskæde.
på det geotermiske felt i Salton Sea i Californien forsøger kontrollerede termiske ressourcer at dræbe to fugle med en sten: generere strøm fra geotermisk varme, mens lithium udvindes fra sin saltlage. Konventionelle geotermiske anlæg genererer varme fra reservoirer med varmt vand nær overfladen; når denne saltvand har betydelige koncentrationer af lithium, kunne dette lithium hypotetisk ekstraheres som fra enhver anden lithiumopløsning. Denne teknik kaldes direkte lithiumekstraktion. En hovedfordel ved denne metode er dens miljømæssige fodaftryk — den bruger mindre plads og mindre vand end traditionel saltvandsekstraktion, lukkes ved at returnere saltlage til sin kilde og drives af vedvarende energi på stedet. Processen ekstraherer også lithium i timer, ikke måneder.23 Ved at designe systemet fra bunden til at inkorporere lithiumekstraktion i et område med ekstremt høje lithiumkoncentrationer håber kontrollerede termiske ressourcer at skabe en indenlandsk kilde til lithiumcarbonat inden 2023 til fremstilling af elektriske køretøjer.24
i det sydlige centrale Arkansas tager det canadiske firma Standard Lithium direkte lithiumudvinding til eksisterende infrastruktur i partnerskab med det tyske kemikaliefirma. I øjeblikket dækker projektet 150.000 hektar og 10.000 lejemål for at trække saltlage ud, som derefter ledes til tre forarbejdningsanlæg for at udvinde brom. I 2019 begyndte standard Lithium at undersøge ekstraktion af lithium fra saltlage inden dets reinjektion i jorden. I den sydvestlige del af staten samarbejder Standard Lithium med Tetra Technologies for at undersøge udvinding af lithium fra affaldsopløsning fra olie-og gasproduktion. Ligesom Salton Sea-projektet ville disse projekter bruge et lukket kredsløbssystem, der reducerer både miljøpåvirkningen og tiden for lithiumekstraktionsprocessen.25 disse projekter tilbyder også potentielt enorme omkostningsbesparelser ved at udnytte eksisterende infrastruktur, hvilket giver en billigere måde at få lithium i USA.
nogle søger at innovere endnu mere. Forskere ved University of Austin har for nylig udviklet en ny filtreringsteknik, der kan reducere den tid, det tager at udvinde lithium fra saltlage. I test er lithiumgenvindingsgraden op til 90%; dette betyder mere effektiv ressourcegenvinding og et bedre miljømæssigt fodaftryk for lithiumekstraktion.26 Da USA ikke kun ser ud til at sikre en indenlandsk kritisk mineralforsyning, men også forbedre lithiumekstraktionsprocessen, vil sådanne fremskridt stole på nøgleinnovatorer som disse.
for nogle af de andre kritiske mineraler kunne en anden løsning findes på havbunden nær amerikanske kystlinjer. Potentialet ved dybhavsminedrift kunne tilbyde højere mineraludbytter og langt mindre giftigt affald end traditionel minedrift med kritiske mineraler. Multinationalt selskab DeepGreen har udforsket dybhavsminedrift af” polymetalliske knuder ” indeholdende nikkel, mangan og kobolt, som alle fungerer som en katode i den mest almindelige opsætning af elbilbatteri, som nævnt.27 Massachusetts Institute of Technology (MIT) har også undersøgt denne proces for at hjælpe interessenter med at udvikle processen.28 Dybhavsmineraler kunne hjælpe med omfanget af batteriudrulning, da vores sult efter elektrisk ladet alt vokser.
indenrigspolitik
i betragtning af de eksisterende udfordringer i forsyningskæden og den globale sult efter batterier, U.S. politikere har søgt efter måder at stimulere den indenlandske udvikling af kritiske mineralforsyningskæder. Hidtil er det største initiativ til at anspore indenlandsk produktion af kritiske mineraler Department of Energy ‘ s energilagring Grand Challenge. Generelt har udfordringen til formål at innovere, producere og implementere energilagringsløsninger helt i USA for at have en robust lagringsportefølje inden 2030. En væsentlig del af denne indsats fokuserer på at sikre en indenlandsk produktionskæde for kritiske mineraler, der involverer teknologiske fremskridt, opskalering af innovation og pålidelig indkøb af materialer.29 at nå dette mål vil kræve detaljeret udforskning af De Forenede Staters kapacitet og udvikling i store dele af forsyningskæden.
på lovgivningsfronten blev toparts American Mineral Security Act (S. 1317) introduceret i 2019 og er i øjeblikket en del af American Energy Innovation Act. Lovforslaget pålægger den føderale regering at udvikle værktøjer til bedre at vurdere mineralforekomster i USA. Det tillader også forskning og udvikling til behandling og genanvendelse af kritiske mineraler.30 et vellykket program for amerikansk mineralproduktion er afhængig af nøjagtige oplysninger; Dette lovforslag kan give det nødvendige grundlag for fremtidig mineralproduktionsindsats.
mere målrettet i omfang, Senator Ted Cruces malm Act (S. 3694) sigter mod at reducere afhængigheden af Kina ved at styrke amerikansk produktion af sjældne jordarters mineraler. Lovforslaget inkluderer skattefradrag for omkostningerne ved konstruktion af sjældne jordminer og incitamenter på efterspørgselssiden til at bruge indenlandsk producerede mineraler.31 Fra 2019 senator Marco Rubio ‘ s re-Coop 21st Century Manufacturing Act (S. 2093) ville bemyndige et koordinerende organ til at føre tilsyn med udviklingen af en integreret forsyningskæde for sjældne jordarter. Over 80% af sjældne jordarter importeres fra Kina — selv mineraler, der udvindes i Californiens bjergpas, sendes til Kina til forarbejdning — så at bringe forsyningskæden hjem kunne reducere afhængigheden af Kina.32,33
i USA. Repræsentanternes Hus, Reps. Michael Vals (R-FL) og Paul Gosar (R-A) introducerede for nylig den amerikanske Critical Mineral investigation and Innovation Act of 2020 (H. R. 7061), der etablerer en ramme for udvidelse af kritisk mineralsikkerhed. Det tværgående lovforslag gør dette gennem udvidet ressourcevurdering, forskning og udvikling inden for avancerede kritiske mineralteknologier, og initiativer til udvikling af arbejdsstyrken. At se kritiske mineraler sikkerhed fra jord til industri hjælper med at lægge grunden til en omlægning af amerikansk kritisk mineralpolitik, der tilskynder til en indenlandsk forsyningskæde.
en anden mulighed for at reducere afhængigheden af Kina er genbrug. I dag genbruges mindre end 5% af lithium-ion-batterierne, primært fordi processen er uinteressant: den er energiintensiv, producerer giftige biprodukter og kæmper for at genvinde en betydelig mængde lithiummateriale. Kun et amerikansk selskab, Retriev Technologies Inc.34,35 genbruger lithium metal og lithium-ion batterier på sine faciliteter i British Columbia og Lancaster, Ohio. Battery and Critical Mineral Recycling Act fra 2020 (S.3356) og Department of Energy ‘ s Lithium-Ion-Batterigenvindingspris fra 2019 sigter mod at forbedre genbrug R&D og tilskynde til oprettelse af indenlandske genvindingscentre.36,37
lille batteri, stor indvirkning
forsyningskæden for lithium og andre kritiske mineraler, en fysisk lille del af energilagring og elektriske køretøjer, er enorm og kompleks. Det berører geopolitiske, miljømæssige og økonomiske spørgsmål, der i øjeblikket ligger uden for USAs direkte kontrol. Komponenterne til at opbygge en vellykket forsyningskæde til Amerikansk lithium og energilagring findes: lithiumreserver, en dygtig arbejdsstyrke, indenlandsk efterspørgsel og økonomisk magt. Men for at kunne forbinde disse komponenter, skal USA strategisk tackle nettet af faktorer, som et batteri står over for på sin rejse rundt om i verden og i lommen.