Die Lieferkette für Lithium und kritische Mineralien ist … Critical

Veröffentlicht am 11. Juni 2020 von Cameron Tarry und Faith Martinez-Smith

Einführung

Wissen Sie, wie viele Minuten Sie jede Woche mit Ihrem Telefon verbringen? Im Durchschnitt verbringen Erwachsene mehr als 3 Stunden am Tag mit einem Smartphone, aber haben Sie jemals darüber nachgedacht, woraus Ihr Handy besteht? Sicher gibt es eine Glasabdeckung, etwas Metall und Kunststoff, aber was ist mit der Batterie?

Handys wiegen ~ 7 Unzen, und die Batterie ist 1/5 davon.1 Die meisten Telefone sind auf einen Lithium-Ionen-Akku angewiesen, der weniger als ein Gramm (3/100 einer Unze) Lithium als „Medium“ für die Energiespeicherung verwendet.2 Da das Lithium Ionen erzeugt, fließen sie zwischen Anode und Kathode, um eine Ladung zu erzeugen. Ziemlich cool, richtig!

Aber für diese winzige Spur von Lithium, die wir Mom schreiben müssen, ist die Lieferkette, um es zu bekommen, wirklich kompliziert.

Lithium-Ionen-Batterien sind nicht nur in unseren Telefonen — sie sind tatsächlich im Zentrum unserer sauberen Energiewende. Andere Materialien wie Graphit, das auch in Batterien verwendet wird; und Tellur, das in Solarzellen der nächsten Generation verwendet wird, sind wichtig, aber Lithium treibt definitiv den Batteriespeichermarkt an. So ziemlich alles – von Ihrem Telefon über Elektrofahrzeuge bis hin zu Speicherlösungen im Versorgungsbereich — findet Anwendungen für Lithium.3

Vielleicht haben Sie von der neuen Lithium-Ionen-Batterie gelesen, an der Tesla mit dem chinesischen Batteriehersteller Amperex Technology Co. Ltd. (CATL), die für mehr als 1 Million Meilen dauern soll und einen erschütternden Einfluss auf die Batterietechnologie haben würde.4 Aber es gibt eine große Frage: Woher kommt das Lithium und andere kritische Materialien? Heute lautet die Antwort – nicht die Vereinigten Staaten

Die nationale Sicherheit der USA wird geschwächt, wenn die Fähigkeit, in den Vereinigten Staaten zu bauen, von Materialien und Austausch abhängt, die weit außerhalb der Kontrolle der USA liegen.

Kritisch, aber nicht inländisch

Im Jahr 2018 veröffentlichte das US-Innenministerium eine Liste von 35 kritischen Mineralien: Mineralien, die „kritisch für die wirtschaftliche und nationale Sicherheit der Vereinigten Staaten“ sind.“5 Diese Mineralien sind für den Betrieb von Schlüsselsektoren wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Energie, Elektronik und Transport von wesentlicher Bedeutung, weisen jedoch Lieferketten auf, die leicht zu stören sind.6 Zum einen sind diese Mineralien in der Erdkruste zu finden, werden aber nur an konzentrierten geografischen Standorten abgebaut oder verarbeitet. Komponenten einiger Lithium-Ionen-Batterien wie Graphit, Lithium, Kobalt und Mangan stehen ebenfalls auf dieser Liste.

Die USA importieren die meisten dieser kritischen Mineralien in unterschiedlichen Mengen. Obwohl die USA bei der Herstellung von Beryllium und Helium führend sind, sind sie bei 14 der Mineralien vollständig auf Importe angewiesen, darunter Bauxit, die Hauptquelle für Aluminium, und Tantal, ein Kondensator in einigen elektronischen Geräten. Im Gegensatz dazu ist China mit Abstand der führende Produzent kritischer Mineralien und dominiert die Produktion von 16 davon.7

Na und? Betrachten wir Batterien als Beispiel. Viele Lithium-Ionen-Batterien verwenden Kobalt in ihrer Kathode. Obwohl Kobalt so weit verbreitet ist, wird es zu über 90% als Nebenprodukt bei der Gewinnung anderer Ressourcen produziert, was seine Produktion von anderen Faktoren als der Nachfrage nach Batterien abhängig macht. Mehr als 65% der weltweiten Produktion konzentriert sich auf die Demokratische Republik Kongo, ein Land, in dem die Vereinten Nationen noch immer eine Friedenssicherungspräsenz unterhalten.8,9 Somit ist die Welt nicht nur von einem Land für ihre Versorgung abhängig, sondern diese Versorgung könnte auch durch ein geografisch spezifisches oder nicht zusammenhängendes Ereignis unterbrochen werden. Obwohl China lediglich ein Investor in vielen Kobaltminen ist, kontrolliert es 70% der Kapazität, Kobalterz in Kobaltchemikalien für die Batterieindustrie umzuwandeln, wodurch es zusätzliche Kontrolle über die Lieferkette erhält.

Wie viele dieser kritischen Mineralien steht Lithium vor den gleichen Herausforderungen. Obwohl reichlich vorhanden, ist Lithium schwer zu extrahieren und zu verarbeiten. Der größte Teil des Lithiumabbaus konzentriert sich auf Lateinamerika und Australien, während China den größten Teil der Verarbeitungskapazitäten kontrolliert; Allein Australien verfügt über fünf der zehn größten Lithiumvorkommen der Welt, und über 60% der Lithiumverarbeitung findet in China statt.10,11 Die Produktion von Lithiumchemikalien und Endprodukten erstreckt sich über Länder wie China, Japan und Südkorea. Selbst beim Handel mit Verbündeten ist die Lithium-Lieferkette wirklich global. USA. die Fähigkeit, Batterien herzustellen, hängt von Faktoren ab, die außerhalb ihrer Kontrolle liegen — globale Handelspreise, ausländische Bergbau- und Verarbeitungskapazitäten oder sogar eine Pandemie, die den internationalen Handel einschränkt. Da die USA versuchen, eine kritischere Mineralienproduktion nach Hause zu bringen, lassen Sie uns Lithium als Fallstudie vom Boden bis in unsere Taschen verfolgen.

Tiefer graben

Lithium wird aus verschiedenen Quellen abgebaut: Sole und Hartgestein, andere wie Ton werden derzeit erforscht. Etwa die Hälfte des weltweiten Lithiums stammt aus Grundwassersole, Wasser, das reich an Lithiumsalz ist. Grundwassersole wird am häufigsten in Südamerika abgebaut. Um auf dieses Lithium zuzugreifen, muss das Wasser an die Oberfläche gepumpt und über Monate oder Jahre in riesigen Teichen gelagert werden, bis die Lithiumkonzentration hoch genug ist. Lithium kann auch aus hartem Gestein im Boden in einer traditionellen Mine abgebaut werden. Diese Mineralien sind, wie das meiste Lithium in Australien gewonnen wird und war die wichtigste Quelle von Lithium vor der Entdeckung der südamerikanischen Lithiumreserven.12 Jede dieser Arten von Bergbau steht vor Umweltproblemen: Sole für seinen Wasserverbrauch und Fußabdruck, und traditionelle Minen für ihren Fußabdruck und Auslaugung von Chemikalien.13

Nachdem die Lithiumverbindung aus dem Boden gefallen ist, muss sie zu einem verwendbaren Produkt verarbeitet werden. Lithiumchemikalien, nicht nur Lithium, werden in Batterien und anderen Produkten verwendet. Dies bedeutet, dass das Lithium von einer Verbindung zu einer anderen verarbeitet wird, die verwendet werden kann.14 Diese Verarbeitungsanlagen sind hochspezialisiert, da verschiedene Kunden Verbindungen mit spezifischen Zusammensetzungen und Reinheiten benötigen.15 Die Prozesse sind auch sehr energieintensiv und verursachen einen zusätzlichen Kohlenstoff-Fußabdruck, wenn sich die Verarbeitungsanlagen in Ländern mit hohem Emissionsausstoß befinden. Die meisten Lithiumverarbeitungsanlagen befinden sich in China, das im April 2019 über 60% des weltweiten Lithiums produzierte.16 Dies bedeutet, dass die Lieferkette einer Lithiumbatterie wirklich vom Welthandel abhängt, selbst wenn sich die Produktionsstätte für die Batterie selbst in den USA befindet.

Ein überraschendes Element dieser Lieferkette ist die Herstellung der Batterie, obwohl die Lithiumverarbeitung ähnlichen Bedenken ausgesetzt ist. Die Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie ist ebenfalls ein energieintensiver Herstellungsprozess. Oft stammt diese Energie aus kohlenstoffemittierenden Quellen, und wenn dies der Fall ist, macht diese Energie die Hälfte des Kohlenstoff-Fußabdrucks einer Lithium-Ionen-Batterie aus. Der Transport von Lithium von Chile nach China nach Japan oder Südkorea führt zu einem nicht unerheblichen Treibhausgas-Fußabdruck; Allein der Transport fertiger Batteriezellen von Südkorea nach Michigan führt zu einem CO2e / kWh-Fußabdruck von 4,1 kg.17

Jetzt haben wir die Teile an Ort und Stelle, schauen wir uns eine Lithium-Ionen-Batterie an, die im Rampenlicht stand: das in einem Tesla-Auto, dessen Semi-Truck-Iteration kürzlich aufgrund von Einschränkungen bei der Batterieproduktion verzögert wurde. Ein Elektroauto braucht eine riesige Menge an Lithium; Der Akku in einem Tesla Model S benötigt 140 Pfund Lithium, die Menge in 10.000 Handys.18 Tesla bezieht Lithium aus Australiens Kidman Resources Mines, einer Hardrock-Mine; Das Unternehmen hat sich kürzlich mit SQM, einem chilenischen Unternehmen, zusammengetan, um den Mt. Holland Lithium-Projekt in Westaustralien, um mehr Bergbaukapazität für Tesla hinzuzufügen. Das Gestein wird dann an das chinesische Ganfeng Lithium zur Verarbeitung zu Lithiumhydroxid geschickt, der Chemikalie, die Tesla in seinen Batterien verwendet. Diese Chemikalie wird an Teslas Produktionsstätten in New York, Nevada, Kalifornien und Shanghai geschickt, um zu einer Batterie verarbeitet zu werden. Obwohl viele Elektrofahrzeuge des Modells 3 in Fremont, KALIFORNIEN, hergestellt werden, beruht diese Herstellung auf einem Netz von Unternehmen, Prozessen und Ketten, die den Globus umkreisen. Selbst Teslas geplante solarbetriebene Gigafactory, bereits die volumenstärkste Batteriefabrik der Welt, bringt nur das letzte Fertigungselement der Batterieversorgungskette in die USA.

Dieser Prozess wird dadurch komplizierter, dass jeder Schritt – Bergbau, Verarbeitung und schließlich Herstellung – inhärent mit der Nachfrage am Ende der Lieferkette verbunden ist. Der Mt. Das Projekt hängt davon ab, dass Tesla mehr Batterien will. Die Batteriechemie ist fragil, was bedeutet, dass eine Lithiummine und eine Verarbeitungsanlage in der Lage sein müssen, konsistente Lithiumchemikalien zuverlässig herzustellen; ein Projekt zur Produktion von mehr Lithium wird daher durch einen Abnehmer vorangetrieben. Der Preis für Lithium hängt vom globalen Markt ab, was bedeutet, dass das Risiko, ein neues Projekt ohne Kunden zu starten, unüberwindbar ist.19 Dies kann zu einem Henne-Ei-Problem führen: Es ist fast unmöglich, eine Mine ohne einen Abflugpartner zu bauen, und es ist schwierig, eine solche Vereinbarung zu treffen, ohne zuvor kommerzielle Fähigkeiten aufzubauen.20

Wenn die U.S. um eine inländische Lithiumlieferkette zu ermöglichen, müssen daher viele verschiedene Stufen und Prozesse aufgebaut sowie Herstellungs-, Umwelt- und wirtschaftliche Faktoren berücksichtigt werden. Glücklicherweise geben die hohe Nachfrage aus dem explodierenden Wachstum von Elektrofahrzeugen, das ernsthafte geologische Potenzial und eine fertigungserfahrene Belegschaft den USA einen fruchtbaren Boden, auf dem sie aufbauen können. Jetzt verstehen wir den Prozess hinter einer Lithium-Ionen-Batterie, kehren wir zu den USA zurück

Aktuelle US-Fähigkeiten

Derzeit haben die USA geringe Fähigkeiten, aber hohe Versprechen: bedeutende Lithiumvorkommen, aber nur eine Handvoll Betriebe. Ein US-Unternehmen, Albemarle, hat Einrichtungen in North Carolina, Tennessee und Nevada. Heute ist Albemarles Standort in Nevada die einzige aktive Lithiummine in den USA, die Lithium aus Sole mithilfe von Verdampfungsteichen extrahiert. Albemarle betreibt derzeit eine chemische Umwandlungsanlage in North Carolina und untersucht das Potenzial, den Bergbaubetrieb in North Carolina wieder aufzunehmen.21 Darüber hinaus entwickelt das kanadische Unternehmen Lithium Americas das Projekt Thacker Pass, das nach seiner Inbetriebnahme die zweitgrößte Lithiummine der Welt sein wird. Das Projekt soll 2022 mit der Produktion beginnen und im Tagebau Ton abbauen.22

US-Innovation bei der Arbeit

Die USA sind reif für das Potenzial, mehr von der Lithium-Lieferkette zu entwickeln. Heute befinden sich mehrere Projekte in der Entwicklung, die nicht nur die Lithiumproduktion in den USA ausbauen, sondern auch umweltfreundlichere und wirtschaftlichere Wege finden. Ihre geografische und technische Vielfalt bietet eine Vielzahl von Beispielen für eine zukünftige US-amerikanische Lithium-Lieferkette.

Im Salton Sea Geothermal Field in Kalifornien versucht Controlled Thermal Resources zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen: Strom aus Erdwärme zu gewinnen und gleichzeitig Lithium aus seiner Sole zu gewinnen. Herkömmliche Geothermieanlagen erzeugen Wärme aus Warmwasserspeichern in Oberflächennähe; Wenn diese Sole signifikante Lithiumkonzentrationen aufweist, könnte dieses Lithium hypothetisch wie aus jeder anderen Lithiumsole gewonnen werden. Diese Technik wird als direkte Lithiumextraktion bezeichnet. Ein Hauptvorteil dieser Methode ist ihr ökologischer Fußabdruck — sie benötigt weniger Platz und weniger Wasser als die herkömmliche Solegewinnung, ist geschlossen, indem die Sole an ihre Quelle zurückgeführt wird, und wird vor Ort mit erneuerbarer Energie betrieben. Der Prozess extrahiert auch Lithium in Stunden, nicht in Monaten.23 Controlled Thermal Resources hofft, durch die von Grund auf neu konzipierte Lithiumextraktion in einem Gebiet mit extrem hohen Lithiumkonzentrationen bis 2023 eine inländische Lithiumcarbonatquelle für die Herstellung von Elektrofahrzeugen zu schaffen.24

In South Central Arkansas erweitert das kanadische Unternehmen Standard Lithium in Zusammenarbeit mit dem deutschen Chemiekonzern Lanxess die bestehende Infrastruktur um die direkte Lithiumgewinnung. Derzeit umfasst das Lanxess-Projekt 150.000 Acres und 10.000 Pachtverträge, um Sole herauszuziehen, die dann zu drei Verarbeitungsanlagen geleitet wird, um Brom zu extrahieren. Im Jahr 2019 begann Standard Lithium mit der Exploration der Extraktion von Lithium aus der Sole vor der erneuten Injektion in den Boden. Im Südwesten des Bundesstaates arbeitet Standard Lithium mit Tetra Technologies zusammen, um die Gewinnung von Lithium aus der Abfallsole aus der Öl- und Gasproduktion zu untersuchen. Wie das Salton Sea-Projekt würden diese Projekte ein geschlossenes Kreislaufsystem verwenden, das sowohl die Umweltauswirkungen als auch die Zeit des Lithiumextraktionsprozesses reduziert.25 Diese Projekte bieten auch potenziell enorme Kosteneinsparungen, da sie die bestehende Infrastruktur nutzen und eine kostengünstigere Möglichkeit bieten, Lithium in den USA zu beschaffen.

Einige möchten noch weiter innovieren. Wissenschaftler der University of Texas in Austin haben kürzlich eine neue Filtrationstechnik entwickelt, die die Zeit für die Gewinnung von Lithium aus Salzlake erheblich verkürzen könnte. In Tests liegt die Lithiumrückgewinnungsrate bei bis zu 90%; Dies bedeutet eine effizientere Ressourcenrückgewinnung und einen besseren ökologischen Fußabdruck für die Lithiumgewinnung.26 Da die USA nicht nur eine inländische kritische Mineralversorgung sicherstellen, sondern auch den Lithiumgewinnungsprozess verbessern wollen, werden solche Fortschritte auf wichtige Innovatoren wie diese angewiesen sein.

Für einige der anderen kritischen Mineralien könnte eine andere Lösung auf dem Meeresboden in der Nähe der US-Küsten gefunden werden. Das Potenzial des Tiefseebergbaus könnte höhere Mineralerträge und weitaus weniger Giftmüll bieten als der traditionelle Abbau kritischer Mineralien. Das multinationale Unternehmen DeepGreen hat den Tiefseebergbau von „polymetallischen Knötchen“ erforscht, die Nickel, Mangan und Kobalt enthalten, die alle, wie erwähnt, als Kathode in der gängigsten Batterieanordnung für Elektrofahrzeuge dienen.27 Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat sich ebenfalls mit diesem Prozess befasst, um den Interessengruppen bei der Entwicklung des Prozesses zu helfen.28 Tiefseemineralien könnten den Umfang des Batterieeinsatzes unterstützen, da unser Hunger nach elektrisch geladenem alles wächst.

Innenpolitik

Angesichts der bestehenden Herausforderungen in der Lieferkette und des globalen Hungers nach Batterien, U.S. Die politischen Entscheidungsträger haben nach Wegen gesucht, um Anreize für die Entwicklung kritischer Mineralversorgungsketten im Inland zu schaffen. Bis heute ist die größte Initiative zur Förderung der inländischen Produktion kritischer Mineralien die Energiespeicher-Grand Challenge des Energieministeriums. Im Großen und Ganzen zielt die Herausforderung darauf ab, Energiespeicherlösungen vollständig in den USA zu entwickeln, zu produzieren und einzusetzen, um bis 2030 über ein robustes Speicherportfolio zu verfügen. Ein wesentlicher Teil dieser Bemühungen konzentriert sich auf die Sicherung einer inländischen Lieferkette für die Herstellung kritischer Mineralien, die technologische Fortschritte, die Ausweitung von Innovationen und die zuverlässige Beschaffung von Materialien umfasst.29 Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Fähigkeiten der Vereinigten Staaten und die Entwicklung in weiten Teilen der Lieferkette detailliert untersucht werden.

An der legislativen Front wurde der Bipartisan American Mineral Security Act (S.1317) in 2019 eingeführt und ist derzeit Teil des American Energy Innovation Act. Der Gesetzentwurf weist die Bundesregierung an, Instrumente zur besseren Bewertung von Mineralvorkommen in den Vereinigten Staaten zu entwickeln. Es genehmigt auch Forschung und Entwicklung für die Verarbeitung und das Recycling kritischer Mineralien.30 Ein erfolgreiches Programm für die US-Mineralproduktion beruht auf genauen Informationen; Dieser Gesetzentwurf könnte die notwendige Grundlage für zukünftige Mineralproduktionsbemühungen schaffen.

Der ORE Act (S.3694) von Senator Ted Cruz zielt gezielter darauf ab, die Abhängigkeit von China zu verringern, indem die US-Produktion von Seltenerdmineralien gestärkt wird. Der Gesetzentwurf enthält Steuerabzüge für die Kosten für den Bau von Seltenerdminen und nachfrageseitige Anreize zur Verwendung im Inland produzierter Mineralien.31 Ab 2019 würde der RE-Coop 21st Century Manufacturing Act (S.2093) von Senator Marco Rubio eine Koordinierungsstelle ermächtigen, die Entwicklung einer integrierten Lieferkette für seltene Erden zu überwachen. Über 80% der Seltenerdelemente werden aus China importiert — selbst Mineralien, die im kalifornischen Mountain Pass abgebaut werden, werden zur Verarbeitung nach China verschifft —, sodass die Abhängigkeit von China verringert werden könnte, wenn die Lieferkette nach Hause gebracht wird.32,33

In den USA. Das Repräsentantenhaus, die Abgeordneten Michael Waltz (R-FL) und Paul Gosar (R-AZ) haben kürzlich den American Critical Mineral Exploration and Innovation Act von 2020 (HR 7061) eingeführt, der einen Rahmen für die Erweiterung der Sicherheit kritischer Mineralien schafft. Das Crosscutting-Gesetz tut dies durch erweiterte Ressourcenbewertung, Forschung und Entwicklung in fortgeschrittenen kritischen Mineraltechnologien und Initiativen zur Entwicklung von Arbeitskräften. Die Betrachtung der Sicherheit kritischer Mineralien vom Boden bis zur Industrie hilft dabei, den Grundstein für eine Neuausrichtung der US-amerikanischen Politik für kritische Mineralien zu legen, die eine inländische Lieferkette fördert.

Eine weitere Möglichkeit, die Abhängigkeit von China zu verringern, ist das Recycling. Heute werden weniger als 5% der Lithium-Ionen-Batterien recycelt, vor allem, weil der Prozess unattraktiv ist: Er ist energieintensiv, produziert toxische Nebenprodukte und hat Schwierigkeiten, eine erhebliche Menge an Lithiummaterial zurückzugewinnen. Nur ein US-Unternehmen, Retriev Technologies Inc.34,35 recycelt Lithiummetall- und Lithium-Ionen-Batterien in seinen Werken in British Columbia und Lancaster, Ohio., Das Batterie- und Critical Mineral Recycling Act von 2020 (S.3356) und der Lithium-Ionen-Batterie-Recycling-Preis des Energieministeriums von 2019 zielen darauf ab, das Recycling von R & D zu verbessern und Anreize für die Schaffung von inländischen Recyclingzentren zu schaffen.36,37

Kleine Batterie, große Wirkung

Die Lieferkette für Lithium und andere kritische Mineralien, ein physikalisch winziger Teil von Energiespeichern und Elektrofahrzeugen, ist immens und komplex. Es berührt geopolitische, ökologische und wirtschaftliche Fragen, die derzeit außerhalb der direkten Kontrolle der USA liegen. Die Komponenten für den Aufbau einer erfolgreichen Lieferkette für amerikanische Lithium- und Energiespeicher sind vorhanden: lithiumreserven, fähige Arbeitskräfte, Binnennachfrage und Wirtschaftskraft. Doch um diese Komponenten erfolgreich zu verknüpfen, müssen die USA strategisch das Netz von Faktoren angehen, die eine Batterie auf ihrer Reise rund um den Globus und in die Tasche steht.