feladta: június 11, 2020 by Cameron Tarry and Faith Martinez-Smith
Bevezetés
tisztában van azzal, hogy hetente hány percet tölt a telefonján? Átlagosan a felnőttek naponta több mint 3 órát töltenek okostelefonon, de megállt-e valaha, hogy elgondolkodjon azon, miből készül a mobiltelefon? Persze van egy üveg fedél, néhány fém és műanyag, de mi a helyzet az akkumulátorral?
a mobiltelefonok súlya ~7 uncia, az akkumulátor pedig ennek 1/5-e.1 A legtöbb telefon lítium-ion akkumulátorra támaszkodik, amely kevesebb, mint egy gramm (uncia 3/100-as része) lítiumot használ fel “közegként” az energiatároláshoz.2. mivel a lítium ionokat hoz létre, az anód és a katód között áramlik, hogy töltést hozzon létre. Elég jó, jobb!
de ahhoz, hogy a lítium apró nyoma legyen, képesnek kell lennünk arra, hogy SMS-t küldjünk anyának, az ellátási lánc valóban bonyolult.
a lítium-ion akkumulátorok nem csak a telefonjainkban vannak — valójában a tiszta energia átmenet középpontjában állnak. Más anyagok, mint például a grafit, amelyet az akkumulátorokban is használnak; és a tellúr, amelyet a következő generációs napelemekben használnak, fontosak, de a lítium határozottan az akkumulátor tárolási piacát vezeti. Elég sok mindent-a telefon, az elektromos járművek, a közüzemi méretű tárolási megoldások-a megállapítás alkalmazások lítium.3
talán olvastál az új lítium-ion akkumulátorról, amelyen a Tesla a Contemporary Amperex Technology Co. Kínai akkumulátorgyártóval dolgozik. Kft. (CATL) ez állítólag több mint 1 millió mérföldig tart, és földrázó hatással lenne az akkumulátor-technológiára.4 de van egy nagy kérdés: honnan származik a lítium és más kritikus anyagok? Ma a válasz az, hogy nem az Egyesült Államok
az Egyesült Államok nemzetbiztonsága gyengül, ha az Egyesült Államokban történő építkezés képessége az Egyesült Államok ellenőrzésén kívül eső anyagoktól és csereprogramoktól függ.
kritikus, de nem hazai
2018-ban az Egyesült Államok Belügyminisztériuma közzétette a 35 kritikus ásványi anyag listáját: ásványi anyagok, amelyek “kritikusak az Egyesült Államok gazdasági és nemzetbiztonsági szempontjából.”5 Ezek az ásványok elengedhetetlenek az olyan kulcsfontosságú ágazatok működéséhez, mint a repülőgépipar, a védelem, az energia, az elektronika és a szállítás, de könnyen megzavarható ellátási láncokkal rendelkeznek.6 egyrészt ezek az ásványok megtalálhatók a földkéregben, de csak koncentrált földrajzi helyeken bányásznak vagy dolgoznak fel. Egyes lítium-ion akkumulátorok, például a grafit, a lítium, a kobalt és a mangán is szerepelnek ezen a listán.
az Egyesült Államok e kritikus ásványok nagy részét változó mennyiségben importálja. Bár az Egyesült Államok vezető szerepet tölt be a berillium és a hélium előállításában, teljes mértékben 14 ásványi anyag behozatalára támaszkodik, beleértve a bauxitot, az alumínium elsődleges forrását, és a tantált, amely egyes elektronikában kondenzátor. Ezzel szemben Kína messze a kritikus ásványi anyagok vezető gyártója, 16 közülük.7
Kína a kritikus ásványi anyagok vezető gyártója, míg az Egyesült Államok 14-et importál
na és? Nézzük meg az elemeket példaként. Sok lítium-ion akkumulátor kobaltot használ katódjában. Annak ellenére, hogy ilyen széles körben használják, a kobalt több mint 90% – át más erőforrások kinyerésének melléktermékeként állítják elő, így termelése az elemek iránti igény mellett tényezőktől is függ. Ráadásul a globális termelés több mint 65% – a A Kongói Demokratikus Köztársaságban koncentrálódik, egy olyan országban, ahol az ENSZ továbbra is fenntartja a békefenntartó jelenlétét.8,9 így a világ nemcsak egy ország ellátásától függ, hanem egy földrajzilag specifikus vagy nem kapcsolódó esemény miatt ez az ellátás is megszakadhat. Bár csupán befektető sok kobaltbányában, Kína ellenőrzi a kobaltérc kobaltvegyszerekké történő átalakításának kapacitásának 70% – át az akkumulátoripar számára, további ellenőrzést biztosítva számukra az ellátási lánc felett.
mint sok ilyen kritikus ásványi anyag, a lítium is ugyanazokkal a kihívásokkal néz szembe. Bár bőséges, a lítiumot nehéz kivonni és feldolgozni. A legtöbb lítiumbányászat Latin-Amerikában és Ausztráliában koncentrálódik, míg Kína ellenőrzi a feldolgozási képesség nagy részét; egyedül Ausztrália büszkélkedhet a világ tíz legnagyobb lítiumlerakódásából öt, és a lítiumfeldolgozás több mint 60% – a Kínában történik.10,11 a lítium vegyi anyagok és végtermékek gyártása olyan országokat ölel fel, mint Kína, Japán és Dél-Korea. Még akkor is, ha szövetségesekkel kereskedik, a lítium ellátási lánc valóban globális. Az USA. az akkumulátorok gyártásának képessége az ellenőrzésén kívül eső tényezőkre támaszkodik — a globális kereskedelmi árakra, a külföldi Bányászati és feldolgozási képességekre, vagy akár a nemzetközi kereskedelmet korlátozó pandémiára. Mivel az Egyesült Államok úgy néz ki, hogy a kritikus ásványi anyagok termelését otthon hozza, esettanulmányként kövessük a lítiumot a földről a zsebünkbe.
mélyebbre ásás
a lítiumot különböző forrásokból bányásszák: sós lében és keménykőzetben, mások, mint az agyag feltárása alatt. A világ lítiumának körülbelül a fele a talajvíz sóoldatából származik, lítiumsóban gazdag vízből. A talajvíz sóoldatát leggyakrabban Dél-Amerikában bányásszák. A lítiumhoz való hozzáférés magában foglalja a víz szivattyúzását a felszínre, és hagyja, hogy hónapokig vagy évekig hatalmas tavakban üljön, amíg a lítiumkoncentráció elég magas lesz. A lítiumot egy hagyományos bányában a földben lévő kemény kőzetből is ki lehet bányászni. Ezekből az ásványokból nyerik a legtöbb lítiumot Ausztráliában, és ez volt a legfontosabb lítiumforrás a dél-amerikai lítiumtartalékok felfedezése előtt.12 minden ilyen típusú bányászati arcok környezetvédelmi kérdések: sós víz a vízfelhasználáshoz és a lábnyomhoz, valamint a hagyományos bányák a lábnyomhoz és a vegyi anyagok kimosódásához.13
miután kikerült a földből, a lítiumvegyületet felhasználható termékké kell feldolgozni. A lítium vegyszereket, nem csak a lítiumot, az akkumulátorokban és más termékekben használják. Ez azt jelenti, hogy a lítiumot egyik vegyületből a másikba dolgozzák fel, amely felhasználható.14 Ezek a feldolgozó létesítmények rendkívül specializáltak, mivel a különböző ügyfelek speciális összetételű és tisztaságú vegyületeket igényelnek.15 a folyamatok szintén meglehetősen energiaigényesek, ami növeli a beágyazott szénlábnyomot, ha a feldolgozó létesítmények nagy kibocsátású országokban találhatók. A legtöbb lítiumfeldolgozó létesítmény Kínában található, amely a világ lítiumának több mint 60% – át állította elő 2019 áprilisában.16 Ez azt jelenti, hogy a lítium akkumulátor ellátási lánca valóban a globális kereskedelemtől függ, még akkor is, ha maga az akkumulátor gyártóüzeme az Egyesült Államokban található.
ennek az ellátási Láncnak meglepő eleme az akkumulátor gyártása, bár a lítium feldolgozása hasonló aggályokkal néz szembe. A lítium-ion akkumulátor gyártása szintén energiaigényes gyártási folyamat. Ez az energia gyakran szén-dioxid-kibocsátó forrásokból származik, és amikor ez megtörténik, ez az energia a lítium-ion akkumulátor szénlábnyomának felét teszi ki. Szállítás is tényezők; a lítium szállítása Chiléből Kínába Japánba vagy Dél-Koreába nem jelentéktelen üvegházhatású gáz lábnyomot eredményEz; csak a befejezett akkumulátorcellák szállítása Dél-Koreából Michiganbe 4,1 kg CO2e/kWh lábnyomot eredményez.17
most már a helyén vannak a darabok, nézzünk meg egy lítium-ion akkumulátort, amely a reflektorfényben volt: ez egy Tesla autóban, amelynek félig teherautó iterációja nemrégiben késett az akkumulátor gyártási korlátai miatt. Egy elektromos autónak hatalmas mennyiségű lítiumra van szüksége; a Tesla Model S akkumulátorának 140 font lítiumra van szüksége, ez az összeg 10 000 mobiltelefonban van.18 a Tesla lítiumot szerez az Ausztrál Kidman Resources Mines-ből, egy hard rock bányából; a vállalat nemrégiben együttműködött az SQM-mel, egy chilei céggel, hogy fejlessze az Mt. Holland lítium projekt Nyugat-Ausztráliában, hogy még több bányászati kapacitás Tesla. A kőzetet ezután a kínai Ganfeng Lítiumba küldik, hogy lítium-hidroxiddá dolgozzák fel, amelyet a Tesla az akkumulátoraiban használ. Ezt a vegyszert a Tesla New York-i, Nevadai, kaliforniai és Sanghaji gyáraiba küldik, hogy akkumulátort készítsenek belőle. Tehát annak ellenére, hogy sok Model 3 elektromos járművet gyártanak a kaliforniai Fremontban, a gyártás a vállalatok, folyamatok és láncok hálózatán alapul, amelyek körbejárják a világot. Még a Tesla tervezett napelemes Gigafactory, amely már a világ legnagyobb volumenű akkumulátorgyára, csak az akkumulátor-ellátási lánc utolsó gyártási elemét hozza az Egyesült Államokba.
a folyamat bonyolultabbá tétele az, hogy minden lépés – a bányászat, a feldolgozás és végül a gyártási végfelhasználás – eredendően kapcsolódik az ellátási lánc végén lévő kereslethez. Az Mt. A Holland projekt attól függ, hogy Tesla több akkumulátort akar-e. Az akkumulátor kémiája törékeny, ami azt jelenti, hogy a lítiumbányának és-feldolgozó létesítménynek képesnek kell lennie arra, hogy megbízhatóan állítson elő konzisztens lítiumvegyszereket; a több lítium előállítására irányuló projektet tehát az off-taker hajtja végre. A lítium ára a globális piactól függ, ami azt jelenti, hogy az új projektbe való belépés kockázata az ügyfél szem előtt tartása nélkül leküzdhetetlen.19 Ez egy tyúk-tojás problémát idézhet elő:szinte lehetetlen bányát építeni egy off-take partner nélkül, és nehéz ilyen megállapodást kötni anélkül, hogy először kereskedelmi méretű képességeket hoznánk létre.20
ha az Egyesült Államok. lehetővé akarja tenni a hazai lítium ellátási láncot, ezért számos különböző szakaszból és folyamatból áll, valamint gyártási, környezeti és gazdasági tényezőkkel kell szembenéznie. Szerencsére az elektromos járművek robbanásszerű növekedése, a komoly geológiai potenciál és a gyártásban tapasztalt munkaerő nagy kereslete termékeny talajt ad az Egyesült Államoknak, amelyre építeni lehet. Most megértjük a lítium-ion akkumulátor mögött álló folyamatot, forduljunk vissza az Egyesült Államokba
jelenlegi amerikai képességek
jelenleg az Egyesült Államok alacsony képességekkel rendelkezik, de nagy ígérettel rendelkezik: jelentős lítium lerakódások, de csak néhány művelet. Egy amerikai cég, az Albemarle rendelkezik létesítményekkel Észak-Karolinában, Tennessee-ben és Nevadában. Ma Albemarle Nevadai telephelye az egyetlen aktív lítiumbánya az Egyesült Államokban, amely lítiumot nyer ki sóoldatból párologtató tavakkal. Az Albemarle jelenleg egy vegyi átalakító üzemet üzemeltet Észak-Karolinában, és vizsgálja az észak-karolinai bányászati művelet újraindításának lehetőségét.21 ezenkívül a kanadai Lithium Americas vállalat fejleszti a Thacker Pass projektet, amely üzembe helyezéskor a világ második legnagyobb lítiumbányája lesz. A projekt a tervek szerint 2022-ben kezdi meg a termelést, és nyílt gödör módszert alkalmaz az agyag bányászására.22
U. S. Innovation at Work
az Egyesült Államok megérett a lítium-ellátási lánc további fejlesztésének lehetőségével. Napjainkban számos olyan projekt van folyamatban, amelyek nem csak az amerikai lítiumtermelést bővítik, hanem környezetbarátabb és gazdaságosabb módszereket is találnak erre. Földrajzi és műszaki sokféleségük számos példát ad a jövőbeli amerikai lítium-ellátási láncra.
a kaliforniai Salton Sea geotermikus mezőn a Controlled Thermal Resources két legyet próbál megölni egy csapásra: energiát termel a geotermikus hőből, miközben lítiumot nyer ki sóoldatából. A hagyományos geotermikus növények hőt termelnek a felszín közelében lévő forró víztartályokból; amikor ez a sóoldat jelentős lítiumkoncentrációval rendelkezik, akkor a lítium hipotetikusan kivonható, mint bármely más lítium sóoldatból. Ezt a technikát közvetlen lítium extrakciónak nevezik. Ennek a módszernek a fő előnye a környezeti lábnyoma — kevesebb helyet és kevesebb vizet használ, mint a hagyományos sóoldat-kitermelés, zárt hurkú, mivel a sóoldatot visszaadja a forrásához, és helyben megújuló energiával működik. A folyamat a lítiumot órákban, nem hónapokban is kivonja.23 A rendkívül magas lítiumkoncentrációjú területen a rendszer alapoktól kezdve történő megtervezésével a Controlled Thermal Resources azt reméli, hogy 2023-ra hazai lítium-karbonát-forrást hoz létre az elektromos járművek gyártásához.24
Arkansas déli középső részén a kanadai Standard Lithium vállalat a német Lanxess vegyipari vállalattal együttműködve közvetlen lítiumkitermelést folytat a meglévő infrastruktúrába. Jelenleg a Lanxess projekt 150 000 hektárra és 10 000 bérleti szerződésre terjed ki a sóoldat kihúzására, amelyet ezután három feldolgozó üzembe vezetnek bróm kinyerésére. 2019-ben a Standard lítium elkezdte feltárni a lítium kinyerését a sóoldatból, mielőtt újra befecskendezné a földbe. Az állam délnyugati részén a Standard Lithium együttműködik a Tetra Technologies-szal, hogy feltárja a lítium kinyerését az olaj-és gáztermelésből származó hulladék sóoldatból. A Salton Sea projekthez hasonlóan ezek a projektek zárt hurkú rendszert használnának, amely csökkenti mind a lítium-kitermelési folyamat környezeti hatását, mind az idejét.25 Ezek a projektek potenciálisan hatalmas költségmegtakarítást is kínálnak a meglévő infrastruktúra kihasználásával, ami alacsonyabb költségű módot kínál a lítium beszerzésére az Egyesült Államokban.
néhányan még tovább keresik az innovációt. Az austini Texasi Egyetem tudósai nemrégiben kifejlesztettek egy új szűrési technikát, amely jelentősen csökkentheti a lítium sóoldatból történő kivonásához szükséges időt. A tesztek során a lítium visszanyerési aránya akár 90% is lehet; ez hatékonyabb erőforrás-visszanyerést és jobb környezeti lábnyomot jelent a lítium kinyeréséhez.26 mivel az Egyesült Államok nemcsak a hazai kritikus ásványi anyagellátás biztosítására törekszik, hanem a lítium-kitermelési folyamat javítására is, az ilyen előrelépés az ilyen kulcsfontosságú újítókra támaszkodik.
néhány más kritikus ásványi anyag esetében egy másik megoldás az amerikai partok közelében található óceánfenéken található. A mélytengeri bányászat lehetősége magasabb ásványi hozamot és sokkal kevesebb mérgező hulladékot kínálhat, mint a hagyományos kritikus ásványi anyagok bányászata. A deepgreen multinacionális vállalat feltárta a nikkelt, mangánt és kobaltot tartalmazó “polimetál csomók” mélytengeri bányászatát, amelyek mindegyike katódként működik a leggyakoribb elektromos jármű akkumulátor-beállításban, amint azt említettük.27 a Massachusetts Institute of Technology (mit) szintén megvizsgálta ezt a folyamatot, hogy segítse az érdekelt feleket a folyamat fejlesztésében.28 a mélytengeri ásványok segíthetnek az akkumulátorok telepítésének mértékében, mivel az elektromos töltésű minden iránti éhségünk növekszik.
belpolitika
tekintettel az ellátási lánc jelenlegi kihívásaira és az akkumulátorok iránti globális éhségre, U.S. a politikai döntéshozók keresték a kritikus ásványi ellátási láncok hazai fejlődésének ösztönzésének módjait. A mai napig a hazai kritikus ásványi anyagok előállításának ösztönzésére irányuló legnagyobb kezdeményezés az Energiaügyi Minisztérium energiatároló nagy kihívása. Általánosságban elmondható, hogy a kihívás célja az energiatárolási megoldások teljes körű innovációja, gyártása és telepítése az Egyesült Államokban annak érdekében, hogy 2030-ra robusztus tárolási portfólióval rendelkezzen. Ezen erőfeszítések jelentős része a kritikus ásványi anyagok hazai gyártási ellátási láncának biztosítására összpontosít, amely magában foglalja a technológiai fejlődést, az innováció növelését és az anyagok megbízható beszerzését.29 e cél eléréséhez az Egyesült Államok képességeinek részletes feltárására és az ellátási lánc nagy részének fejlesztésére van szükség.
a jogalkotási fronton a kétpárti Amerikai ásványi biztonsági törvényt (S. 1317) 2019-ben vezették be, és jelenleg az amerikai Energiainnovációs törvény része. A törvényjavaslat arra utasítja a szövetségi kormányt, hogy dolgozzon ki eszközöket az ásványi lerakódások jobb felmérésére az Egyesült Államokban. Ezenkívül engedélyezi a kritikus ásványi anyagok feldolgozására és újrahasznosítására irányuló kutatást és fejlesztést.30 Az Amerikai ásványtermelés sikeres programja pontos információkra támaszkodik; ez a törvényjavaslat biztosíthatja a szükséges alapot a jövőbeni ásványtermelési erőfeszítésekhez.
szélesebb körben célzott Ted Cruz szenátor ÉRCTÖRVÉNYE (S. 3694) célja a Kínától való függőség csökkentése az Egyesült Államok ritkaföldfém-ásványok termelésének megerősítésével. A törvényjavaslat tartalmazza a ritkaföldfémbányák építésének költségeire vonatkozó adókedvezményeket és a hazai termelésű ásványok felhasználásának keresleti oldali ösztönzését.31 2019-től Marco Rubio szenátor RE-Coop 21st Century Manufacturing Act (S. 2093) felhatalmazza a koordináló testületet az integrált ritkaföldfém-ellátási lánc fejlesztésének felügyeletére. A ritkaföldfémek több mint 80% — át Kínából importálják — még a kaliforniai Mountain Pass-ban bányászott ásványokat is feldolgozásra szállítják Kínába-így az ellátási lánc hazahozatala csökkentheti a Kínától való függőséget.32,33
az Egyesült Államokban. A képviselőház, Michael Waltz (R-FL) és Paul Gosar (r-az) a közelmúltban bevezette a 2020-as amerikai kritikus Ásványkutatási és Innovációs törvényt (H. R. 7061), amely keretet hoz létre a kritikus ásványbiztonság bővítéséhez. Az átfogó törvényjavaslat ezt kibővített erőforrás-felméréssel, a fejlett kritikus ásványi technológiák kutatásával és fejlesztésével, valamint munkaerő-fejlesztési kezdeményezésekkel teszi. A kritikus ásványi anyagok biztonságának megtekintése a talajtól az iparig segít megalapozni az Egyesült Államok kritikus ásványi politikájának átalakítását, amely ösztönzi a hazai ellátási láncot.
egy másik lehetőség a Kínától való függőség csökkentésére az újrahasznosítás. Manapság a lítium-ion akkumulátorok kevesebb mint 5%-át újrahasznosítják, elsősorban azért, mert a folyamat nem vonzó: energiaigényes, mérgező melléktermékeket termel, és jelentős mennyiségű lítium anyag visszanyerésével küzd. Csak egy amerikai vállalat, a Retriev Technologies Inc.34,35 újrahasznosítja a lítium-fém és lítium-ion akkumulátorokat British Columbia és Lancaster, Ohio üzemeiben. A 2020-as akkumulátor-és kritikus ásványi újrafeldolgozási törvény (S.3356) és az Energiaügyi Minisztérium 2019. évi lítium-Ion akkumulátor újrahasznosítási díjának célja az R& d újrahasznosítás javítása és a hazai újrahasznosító központok létrehozásának ösztönzése.36,37
kis akkumulátor, nagy hatás
a lítium és más kritikus ásványi anyagok ellátási lánca, az energiatárolás és az elektromos járművek fizikailag apró része, hatalmas és összetett. Olyan geopolitikai, környezeti és gazdasági kérdéseket érint, amelyek jelenleg az Egyesült Államok közvetlen ellenőrzésén kívül esnek. Az amerikai lítium és energiatárolás sikeres ellátási láncának felépítéséhez szükséges alkatrészek léteznek: lítium tartalékok, képes munkaerő, belföldi kereslet és gazdasági hatalom. Mégis, hogy sikeresen összekapcsolja ezeket az összetevőket, az Egyesült Államoknak stratégiailag kezelnie kell azokat a tényezőket, amelyekkel az akkumulátor a világ minden táján és a zsebében utazik.