Posted on June 11, 2020 by Cameron Tarry and Faith Martinez-Smith
Introduction
Are you aware of how many minutes you expendure on your phone per week? Aikuiset viettävät älypuhelimella keskimäärin yli 3 tuntia päivässä, mutta oletko koskaan pysähtynyt miettimään, mistä kännykkäsi on tehty? Toki on lasinen kansi, metallia ja muovia, mutta entä akku?
kännykät painavat ~7 unssia, ja akku on 1/5 siitä.1 Useimmat puhelimet tukeutuvat litiumioniakkuun, joka käyttää alle gramman (3/100 grammaa) litiumia energian varastointiin tarkoitettuna ”väliaineena”.2 kun litium luo ioneja, ne virtaavat anodin ja katodin välillä varauksen luomiseksi. Aika siistiä, vai mitä?
mutta se pieni litiumin jälki, jota meidän täytyy tekstata äidille, – toimitusketju sen saamiseksi on todella monimutkainen.
litiumioniakut eivät ole vain puhelimissamme-ne ovat itse asiassa puhtaan energiamurroksemme keskiössä. Muut materiaalit, kuten grafiitti, jota käytetään myös akuissa; ja telluuri, jota käytetään seuraavan sukupolven aurinkokennoissa, ovat tärkeitä, mutta litium ajaa varmasti akkujen varastointimarkkinoita. Lähes kaikki-puhelimesta sähköautoihin, hyödyllisyysmallin tallennusratkaisuihin-löytää sovelluksia litiumille.3
ehkä olet lukenut uudesta litiumioniakusta, jota Tesla työstää kiinalaisen akkuvalmistaja Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) sen sanotaan kestävän yli 1 miljoonaa mailia, ja sillä olisi maata järisyttävä vaikutus akkuteknologiaan.4 mutta on yksi suuri kysymys: mistä litium ja muut kriittiset aineet tulevat? Nyt vastaus on — ei Yhdysvallat
Yhdysvaltain kansallinen turvallisuus heikkenee, jos kyky rakentaa Yhdysvalloissa riippuu materiaaleista ja vaihdoista, jotka ovat kaukana Yhdysvaltain kontrollista.
kriittinen, mutta ei kotimainen
vuonna 2018 Yhdysvaltain sisäministeriö julkaisi listan 35 kriittisestä mineraalista: mineraaleista, jotka ovat ”kriittisiä Yhdysvaltain taloudelliselle ja kansalliselle turvallisuudelle.”5 nämä mineraalit ovat välttämättömiä keskeisten alojen, kuten ilmailu -, puolustus -, energia -, elektroniikka-ja kuljetusalojen toiminnalle, mutta niillä on toimitusketjuja, joita on helppo häiritä.6 ensinnäkin näitä mineraaleja löytyy maankuoresta, mutta niitä louhitaan tai käsitellään vain maantieteellisesti keskittyneissä paikoissa. Joidenkin litiumioniakkujen komponentit, kuten grafiitti, litium, koboltti ja mangaani, ovat myös tällä listalla.
Yhdysvallat tuo maahan suurimman osan näistä kriittisistä mineraaleista vaihtelevina määrinä. Vaikka Yhdysvallat on johtava tuottaa berylliumia ja heliumia, se luottaa täysin tuonnin 14 mineraalien, kuten bauksiitti, ensisijainen lähde alumiinia, ja tantaali, joka on kondensaattori joissakin Elektroniikka. Sen sijaan Kiina on ylivoimaisesti johtava kriittisten mineraalien tuottaja, sillä se hallitsee 16: n tuotantoa.7
Kiina on johtava kriittisten mineraalien tuottaja, kun taas Yhdysvallat tuo 14 niistä
entä sitten? Tarkastellaan paristoja esimerkkinä. Monet litiumioniakut käyttävät katodissaan kobolttia. Vaikka kobolttia käytetään niin paljon, yli 90 prosenttia koboltista tuotetaan muiden resurssien talteenoton sivutuotteena, jolloin sen tuotanto on riippuvainen akkujen kysynnän lisäksi myös muista tekijöistä. Lisäksi yli 65 prosenttia maailman tuotannosta on keskittynyt Kongon demokraattiseen tasavaltaan, jossa YK on edelleen rauhanturvaajana.8,9 sen lisäksi, että maailma on toimituksissaan riippuvainen yhdestä maasta, tämä tarjonta voidaan järkevästi katkaista maantieteellisesti määritellyn tai siihen liittymättömän tapahtuman vuoksi. Vaikka Kiina on vain sijoittaja monissa kobolttikaivoksissa, sillä on 70 prosenttia kapasiteetista muuntaa kobolttimalmi kobolttikemikaaleiksi akkuteollisuutta varten, mikä antaa Kiinalle lisävalvontaa toimitusketjussa.
kuten monet näistä kriittisistä mineraaleista, myös litium kohtaa samoja haasteita. Vaikka litiumia on runsaasti, sitä on vaikea erottaa ja käsitellä. Suurin osa litiumin louhinnasta on keskittynyt Latinalaiseen Amerikkaan ja Australiaan, kun taas Kiina hallitsee suurinta osaa käsittelykyvystä; pelkästään Australiassa on viisi maailman kymmenestä suurimmasta litiumesiintymästä, ja yli 60% litiumin käsittelystä tapahtuu Kiinassa.10,11 litiumkemikaalien ja lopputuotteiden tuotanto ulottuu Kiinan, Japanin ja Etelä-Korean kaltaisiin maihin. Jopa liittolaisten kanssa käydyssä kaupassa litiumin toimitusketju on todella globaali. Yhdysvallat. kyky valmistaa akkuja perustuu tekijöihin, jotka eivät ole sen hallinnassa — maailmanlaajuisiin kauppahintoihin, ulkomaisiin kaivos-ja prosessointikykyihin tai jopa kansainvälistä kauppaa rajoittavaan pandemiaan. Koska USA näyttää tuovan enemmän kriittisiä mineraaleja tuotanto kotiin, jäljitetään litium maasta taskuihimme tapaustutkimuksena.
Kaivaminen syvemmältä
litiumia louhitaan eri lähteistä: suolavedestä ja hard rockista, muita kuten savea tutkitaan. Noin puolet maailman litiumista tulee pohjaveden suolavedestä, jossa on runsaasti litiumsuolaa. Pohjaveden suolavettä louhitaan yleisimmin Etelä-Amerikassa. Tämän litiumin käyttö edellyttää veden pumppaamista pintaan ja sen istumista valtavissa lammikoissa kuukausia tai vuosia, kunnes litiumpitoisuus on tarpeeksi korkea. Litiumia voidaan myös louhia maan kovista kivistä perinteisessä kaivoksessa. Näiden mineraalien avulla suurin osa litiumista saadaan Australiassa, ja se oli tärkein litiumin lähde ennen Etelä-Amerikan litiumvarantojen löytymistä.12 kukin näistä kaivostyypeistä kohtaa ympäristökysymyksiä: suolavesi sen vedenkäyttöä ja jalanjälkeä varten sekä perinteiset kaivokset niiden jalanjälkeä ja kemikaalien huuhtoutumista varten.13
kun litiumyhdiste on nostettu maasta, se on jalostettava käyttökelpoiseksi tuotteeksi. Akuissa ja muissa tuotteissa käytetään litiumkemikaaleja, ei pelkästään litiumia. Tämä tarkoittaa, että litium jalostetaan yhdisteestä toiseen, jota voidaan käyttää.14 nämä käsittelylaitokset ovat pitkälle erikoistuneita, koska eri asiakkaat tarvitsevat yhdisteitä, joilla on erityisiä koostumuksia ja puhtauksia.15 prosessit ovat myös varsin energiaintensiivisiä, mikä lisää upotettua hiilijalanjälkeä, kun käsittelylaitokset sijaitsevat paljon päästöjä aiheuttavissa maissa. Suurin osa litiumin käsittelylaitoksista on Kiinassa, joka tuotti yli 60% maailman litiumista huhtikuussa 2019.16 tämä tarkoittaa, että litiumpariston toimitusketju on todella riippuvainen maailmanlaajuisesta kaupasta, vaikka itse akun tuotantolaitos on Yhdysvalloissa.
yllättävä osa tätä toimitusketjua liittyy akun valmistukseen, vaikka litiumin käsittelyyn liittyy samanlaisia huolenaiheita. Litiumioniakun valmistaminen on myös energiaintensiivinen valmistusprosessi. Usein tämä energia tulee hiiltä päästävistä lähteistä, ja kun se tulee, tuo energia muodostaa puolet litiumioniakkujen hiilijalanjäljestä. Kuljetus vaikuttaa myös; litiumin toimitus Chilestä Kiinaan Japaniin tai Etelä-Koreaan lisää ei-merkityksetöntä kasvihuonekaasujen jalanjälkeä; vain valmiiden akkukennojen kuljettaminen Etelä-Koreasta Michiganiin lisää 4,1 kg CO2e/kWh jalanjälkeä.17
nyt on palaset kohdallaan, katsotaan yksi parrasvaloissa ollut litiumioniakku: että Tesla-autossa, jonka puolirekan iterointi viivästyi hiljattain akkujen tuotantorajoitusten takia. Sähköauto tarvitsee valtavan määrän litiumia; Tesla Model S: n akkupaketti tarvitsee 140 kiloa litiumia, Määrä 10 000 kännykässä.18 Tesla lähteet litium Australian Kidman Resources Mines, hard rock kaivos; yhtiö äskettäin yhteistyössä SQM, chileläinen yritys, kehittää Mt. Hollannin Litiumprojekti Länsi-Australiassa lisää Teslan kaivoskapasiteettia. Tämän jälkeen kivi lähetetään kiinalaiseen Ganfeng Litiumiin jalostettavaksi litiumhydroksidiksi, jota Tesla käyttää akuissaan. Kyseinen kemikaali lähetetään Teslan tuotantolaitoksiin New Yorkiin, Nevadaan, Kaliforniaan ja Shanghaihin valmistettavaksi akuksi. Joten vaikka monet Model 3 sähköautot valmistetaan Fremont, CA, että valmistus perustuu web yritysten, prosessien ja ketjujen, jotka kiertävät maailmaa. Jopa Teslan kaavailema aurinkoenergialla toimiva Gigafactory, joka on jo maailman suurin akkutehdas, tuo sen akkujen toimitusketjun viimeisen valmistuselementin vasta Yhdysvaltoihin.
tätä prosessia vaikeuttaa se, että jokainen vaihe – kaivostoiminta, jalostus ja lopulta valmistus loppukäyttöön – on luonnostaan sidoksissa kysyntään toimitusketjun loppupäässä. Mt. Hollannin projekti riippuu siitä, että Tesla haluaa lisää akkuja. Akkukemia on haurasta, joten litiumkaivoksen ja-käsittelylaitoksen on kyettävä tuottamaan luotettavasti yhdenmukaisia litiumkemikaaleja; litiumin tuotannon lisäämiseen tähtäävää projektia ohjaa siis se, että sillä on off-taker. Litiumin hinta riippuu maailmanmarkkinoista, eli riski uuden projektin aloittamisesta ilman asiakasta on ylitsepääsemätön.19 tästä voi aiheutua ongelma, joka voi aiheuttaa ongelmia: kaivoksen rakentaminen on lähes mahdotonta ilman yhteistyökumppania, ja tällaista sopimusta on vaikea saada aikaan ilman kaupallisen mittakaavan valmiuksia.20
jos USA haluaa mahdollistaa kotimaisen litiumin toimitusketjun, joten sillä on monia eri vaiheita ja prosesseja rakentaa, sekä valmistus -, ympäristö-ja taloudelliset tekijät kamppailemaan. Onneksi sähköautojen räjähdysmäisen kasvun aiheuttama suuri kysyntä, vakava geologinen potentiaali ja teollisuuden kokenut työvoima antavat Yhdysvalloille hedelmällisen maaperän, jolle rakentaa. Nyt ymmärrämme prosessin takana litium-ioni akku, käännytään takaisin Yhdysvaltoihin.
nykyinen Yhdysvaltain valmiudet
tällä hetkellä, USA on alhainen valmiuksia, mutta korkea lupaus: merkittäviä litiumesiintymiä, mutta vain kourallinen operaatioita. Eräällä yhdysvaltalaisella yrityksellä, Albemarlella, on toimitilat Pohjois-Carolinassa, Tennesseessä ja Nevadassa. Nykyään Albemarlen Nevadan tehdas on Yhdysvaltain ainoa aktiivinen litiumkaivos, joka louhii litiumia suolavedestä haihdutusaltaiden avulla. Yhtiö on myös perinteisesti louhinut kovaa kiveä Pohjois-Carolinan toimipaikassaan; Albemarle pyörittää tällä hetkellä kemian konversiolaitosta Pohjois-Carolinassa ja tutkii mahdollisuutta käynnistää Pohjois-Carolinan kaivostoiminta uudelleen.21 lisäksi Kanadalainen Lithium Americas-yhtiö kehittää Thacker Pass-projektia, josta tulee käyttöönoton yhteydessä maailman toiseksi suurin litiumkaivos. Hankkeen on määrä aloittaa tuotanto vuonna 2022 ja siinä käytetään avolouhosmenetelmää saven louhintaan.22
U. S. Innovation At Work
USA on kypsä kehittämään litiumin toimitusketjua. Nykyään on olemassa useita projekteja, jotka paitsi laajentavat Yhdysvaltain litiumin tuotantoa, myös löytävät ympäristöystävällisempiä ja taloudellisempia tapoja tehdä niin. Niiden maantieteellinen ja tekninen monimuotoisuus antaa laajan valikoiman esimerkkejä Yhdysvaltain tulevalle litiumin toimitusketjulle.
Salton Sea geotermal Fieldillä Kaliforniassa Controlled Thermal Resources yrittää tappaa kaksi kärpästä yhdellä iskulla: tuottaa sähköä geotermisestä lämmöstä samalla kun louhii litiumia suolavedestään. Tavanomaiset geotermiset laitokset tuottavat lämpöä lähellä pintaa olevista kuuman veden altaista; kun tässä suolavedessä on merkittäviä litiumpitoisuuksia, tämä litium voitaisiin hypoteettisesti erottaa mistä tahansa muusta litiumpitoisesta suolavedestä. Tätä tekniikkaa kutsutaan suoraksi litiumin uuttamiseksi. Tämän menetelmän tärkein etu on sen ympäristöjalanjälki-se käyttää vähemmän tilaa ja vähemmän vettä kuin perinteinen suolaveden uuttaminen, se on suljettua kierrettä palauttamalla suolavesi lähteeseensä ja se saa energiansa uusiutuvasta energiasta paikan päällä. Prosessissa litium myös uuttuu tunneissa, ei kuukausissa.23 suunnittelemalla järjestelmän alusta asti litiumin uuttamiseksi alueella, jolla on erittäin korkeat litiumpitoisuudet, hallitut Lämpöresurssit toivovat voivansa luoda litiumkarbonaatin kotimaisen lähteen vuoteen 2023 mennessä sähköajoneuvojen valmistukseen.24
Etelä-Arkansasissa Kanadalainen Standard Lithium-yhtiö vie litiumia suoraan olemassa olevaan infrastruktuuriin yhteistyössä saksalaisen Lanxessin kanssa. Tällä hetkellä Lanxess-hanke kattaa 150 000 eekkeriä ja 10 000 vuokrasopimusta suolaveden vetämiseksi, joka sitten johdetaan kolmeen käsittelylaitokseen bromin erottamiseksi. Vuonna 2019 Standard litium alkoi tutkia litiumin uuttamista suolavedestä ennen sen uudelleenjuostumista maahan. Osavaltion lounaisosassa Standard litium tekee yhteistyötä Tetra Technologiesin kanssa tutkiakseen litiumin talteenottoa öljyn-ja kaasuntuotannon jätevesiliemestä. Kuten Salton Sea-hankkeessa, näissä hankkeissa käytettäisiin suljetun kierron järjestelmää, joka vähentää sekä litiumin uuttoprosessin ympäristövaikutuksia että aikaa.25 nämä hankkeet tarjoavat myös potentiaalisesti valtavia kustannussäästöjä hyödyntämällä olemassa olevaa infrastruktuuria, mikä tarjoaa edullisemman tavan saada litiumia Yhdysvalloissa.
jotkut haluavat innovoida vielä lisää. Austinin Texasin yliopiston tutkijat kehittivät hiljattain uuden suodatustekniikan, joka voisi merkittävästi lyhentää litiumin uuttamiseen suolavedestä kuluvaa aikaa. Kokeissa litiumin talteenottoaste on jopa 90%; tämä tarkoittaa tehokkaampaa resurssien talteenottoa ja parempaa ympäristöjalanjälkeä litiumin uuttamisessa.26 koska Yhdysvallat ei näytä vain turvaavan kotimaista kriittistä mineraalivarastoa, vaan myös parantavan litiumin uuttoprosessia, tällainen edistys riippuu tällaisista keskeisistä innovoijista.
joidenkin muiden kriittisten mineraalien kohdalla toinen ratkaisu saattoi löytyä merenpohjasta läheltä Yhdysvaltain rannikkoa. Syvänmeren kaivostoiminnan mahdollisuudet voisivat tarjota korkeampia mineraalisatoja ja paljon vähemmän myrkyllistä jätettä kuin perinteinen kriittisten mineraalien louhinta. Monikansallinen yritys DeepGreen on tutkinut syvänmeren kaivos” polymetallic nodules”, joka sisältää nikkeliä, mangaania ja kobolttia, jotka kaikki toimivat katodina yleisin sähköauton akun asetukset, kuten mainittiin.27 Massachusetts Institute of Technology (MIT) on myös tutkinut tätä prosessia auttaakseen sidosryhmiä kehittämään prosessia.28 syvänmeren mineraalia voisi auttaa akun käyttöönoton laajuudessa, kun nälkämme sähköisesti latautuvaan kaikkeen kasvaa.
sisäpolitiikka
kun otetaan huomioon toimitusketjun nykyiset haasteet ja maailmanlaajuinen akkujen nälkä, U.S. päättäjät ovat etsineet keinoja kannustaa kriittisten mineraalien toimitusketjujen kotimaista kehittämistä. Tähän mennessä suurin aloite kotimaisen kriittisten mineraalien tuotannon vauhdittamiseksi on Department of Energy Storage Grand Challenge. Yleisesti ottaen haasteen tavoitteena on innovoida, tuottaa ja ottaa käyttöön energian varastointiratkaisuja kokonaan Yhdysvalloissa, jotta niillä olisi vankka varastointiportfolio vuoteen 2030 mennessä. Merkittävä osa tästä panostuksesta keskittyy kriittisten mineraalien kotimaisen tuotantoketjun turvaamiseen, johon liittyy teknologista kehitystä, innovaatioiden laajenemista ja materiaalien luotettavaa hankintaa.29 tämän tavoitteen saavuttaminen edellyttää Yhdysvaltojen valmiuksien yksityiskohtaista tutkimista ja suuren osan toimitusketjusta kehittämistä.
lainsäädäntörintamalla bipartisan American Mineral Security Act (S. 1317) otettiin käyttöön vuonna 2019, ja se on nykyisin osa American Energy Innovation Act-lakia. Lakiesitys ohjaa liittohallitusta kehittämään työkaluja, joilla voidaan paremmin arvioida mineraaliesiintymiä Yhdysvalloissa. Lisäksi se antaa luvan kriittisten mineraalien käsittelyyn ja kierrätykseen liittyvälle tutkimus-ja kehitystyölle.30 menestyksekäs ohjelma Yhdysvaltain mineraalituotantoa varten perustuu täsmälliseen tietoon; tämä lakiesitys voisi tarjota tarvittavan perustan tuleville mineraalituotantoponnisteluille.
senaattori Ted Cruzin ORE Act (S. 3694) pyrkii vähentämään riippuvuutta Kiinasta vahvistamalla Yhdysvaltain harvinaisten maametallien tuotantoa. Lakiesitys sisältää verovähennyksiä harvinaisten maametallien rakennuskustannuksista ja kysyntäpuolen kannustimia käyttää kotimaassa tuotettuja mineraaleja.31 vuodesta 2019 Senaattori Marco Rubion uudelleen Coop 21st Century Manufacturing Act (S. 2093) valtuuttaisi koordinointielimen valvomaan integroidun harvinaisten maametallien toimitusketjun kehittämistä. Yli 80% harvinaisista maametalleista tuodaan Kiinasta — jopa Kalifornian Mountain passissa louhitut mineraalit kuljetetaan Kiinaan jalostettavaksi-joten toimitusketjun tuominen kotiin voisi vähentää riippuvuutta Kiinasta.32,33
Yhdysvalloissa. Edustajainhuone, edustajat Michael Waltz (R-FL) ja Paul Gosar (R-AZ) äskettäin käyttöön American Critical Mineral Exploration and Innovation Act of 2020 (H. R. 7061), joka luo puitteet laajentaa kriittisen mineraalien turvallisuutta. Monialaisessa lakiehdotuksessa tämä tehdään laajentamalla resurssien arviointia, kehittyneiden kriittisten mineraaliteknologioiden tutkimusta ja kehittämistä sekä työvoiman kehittämishankkeita. Kriittisten mineraalien turvallisuuden tarkastelu maasta teollisuuteen auttaa luomaan perustan Yhdysvaltain kriittisen mineraalipolitiikan uudelleensuuntaamiselle, joka kannustaa kotimaiseen toimitusketjuun.
toinen vaihtoehto vähentää riippuvuutta Kiinasta on kierrätys. Nykyään alle 5% litiumioniakuista kierrätetään pääasiassa siksi, että prosessi ei ole houkutteleva: se on energiaintensiivinen, tuottaa myrkyllisiä sivutuotteita ja kamppailee saadakseen takaisin merkittävän määrän litiumia. Vain yksi yhdysvaltalainen yritys, Retriev Technologies Inc.34,35 kierrättää litiummetalli-ja litiumioniakkuja laitoksissaan Brittiläisessä Kolumbiassa ja Ohion Lancasterissa., Akkujen ja kriittisten mineraalien Kierrätyslain 2020 (S.3356) ja energiaministeriön litiumioniakkujen Kierrätyspalkinto 2019 tähtäävät kierrätyksen R&D parantamiseen ja kotimaisten kierrätyskeskusten perustamiseen.36,37
pieni akku, suuri vaikutus
litiumin ja muiden kriittisten mineraalien toimitusketju, joka on fyysisesti pieni osa energian varastointia ja sähköajoneuvoja, on valtava ja monimutkainen. Se koskettaa geopoliittisia, ympäristöllisiä ja taloudellisia kysymyksiä, jotka ovat tällä hetkellä Yhdysvaltojen suoran kontrollin ulkopuolella. Komponentit, joilla voidaan rakentaa onnistunut toimitusketju amerikkalaisen litiumin ja energian varastointiin, ovat olemassa: litiumvarannot, kyvykäs työvoima, kotimainen kysyntä ja taloudellinen valta. Mutta onnistuakseen yhdistämään nämä komponentit, USA: n täytyy strategisesti puuttua se tekijöiden verkko, että akku kohtaa matkallaan maapallon ympäri ja taskuun.