geplaatst op 11 juni 2020 door Cameron Tarry en Faith Martinez-Smith
Inleiding
weet u hoeveel minuten u per week aan uw telefoon besteedt? Gemiddeld besteden volwassenen meer dan 3 uur per dag aan een smartphone, maar heb je ooit gepauzeerd om na te denken over waar je mobiele telefoon van gemaakt is? Natuurlijk is er een glazen deksel, wat metaal en plastic, maar hoe zit het met de batterij?
mobiele telefoons wegen ~7 ounces, en de batterij is 1 / 5e daarvan.1 de meeste telefoons vertrouwen op een lithium-ion batterij, die minder dan één gram (3/100ths of a ounce) lithium gebruikt als het “medium” voor energieopslag.2 als lithium ionen creëert stromen ze tussen anode en kathode om een lading te creëren. Gaaf, hè?
maar voor dat kleine spoortje lithium moeten we Mam kunnen sms ‘ en, de toeleveringsketen om het te krijgen is echt ingewikkeld.
Lithium-ionbatterijen bevinden zich niet alleen in onze telefoons — ze staan in feite centraal in onze schone energietransitie. Andere materialen zoals grafiet dat ook wordt gebruikt in Batterijen; en tellurium, gebruikt in de volgende generatie zonnecellen zijn belangrijk, maar lithium is zeker rijden de batterij opslag markt. Vrijwel alles-van uw telefoon tot elektrische voertuigen, tot opslagoplossingen op utility — schaal-is het vinden van toepassingen voor lithium.3
misschien hebt u gelezen over de nieuwe lithium-ion batterij waaraan Tesla werkt met de Chinese battery maker Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) er wordt gezegd dat het meer dan 1 miljoen mijl duurt en een aardschokkende impact zou hebben op de batterijtechnologie.4 maar er is één grote vraag: Waar komen lithium en andere kritische materialen vandaan? Vandaag de dag is het antwoord — niet de Verenigde Staten
de nationale veiligheid van de VS is verzwakt als het vermogen om te bouwen in de Verenigde Staten afhankelijk is van materialen en uitwisselingen ver buiten de controle van de VS.
Critical, but not domestic
in 2018 publiceerde het Amerikaanse Ministerie van Binnenlandse Zaken een lijst van 35 critical minerals: minerals that are “critical to the economic and national security of the United States.”5 deze mineralen zijn essentieel voor de werking van belangrijke sectoren zoals lucht-en ruimtevaart, defensie, energie, elektronica en transport, maar hebben toeleveringsketens die gemakkelijk te verstoren zijn.6 om te beginnen zijn deze mineralen in de aardkorst te vinden, maar worden alleen gedolven of verwerkt in geconcentreerde geografische locaties. Componenten van sommige lithium-ion batterijen, zoals grafiet, lithium, kobalt en mangaan, staan ook op deze lijst.
de VS importeren de meeste van deze kritieke mineralen in verschillende hoeveelheden. Hoewel de VS een leider is in de productie van beryllium en helium, is het volledig afhankelijk van de invoer van 14 van de mineralen, waaronder bauxiet, de primaire bron van aluminium, en tantaal, dat een condensator is in sommige elektronica. China daarentegen is veruit de grootste producent van kritieke mineralen, die de productie van 16 ervan domineert.7
China is de grootste producent van kritieke mineralen, terwijl de VS er 14 importeert.
nou en? Laten we eens kijken naar batterijen als voorbeeld. Veel lithium-ion batterijen gebruiken kobalt in hun kathode. Ondanks het feit dat het zo veel gebruikt wordt, wordt meer dan 90% van het Kobalt geproduceerd als een bijproduct van het extraheren van andere grondstoffen, waardoor de productie afhankelijk is van factoren naast de vraag naar batterijen. Bovendien is meer dan 65% van de wereldwijde productie geconcentreerd in de Democratische Republiek Congo, een land waar de Verenigde Naties nog steeds een vredesmacht aanwezig zijn.8,9 de wereld is dus niet alleen afhankelijk van één land voor zijn levering, maar die levering kan ook gemakkelijk worden afgesloten door een geografisch specifieke of niet-gerelateerde gebeurtenis. Hoewel China slechts een investeerder in veel kobaltmijnen is, controleert het 70% van de capaciteit om kobalterts om te zetten in kobaltchemicaliën voor de batterijindustrie, waardoor zij extra controle hebben over de toeleveringsketen.
net als veel van deze kritieke mineralen staat lithium voor dezelfde uitdagingen. Hoewel overvloedig, lithium is moeilijk te extraheren en te verwerken. De meeste lithiumwinning is geconcentreerd in Latijns-Amerika en Australië, terwijl China het grootste deel van de verwerkingscapaciteit controleert; Australië alleen heeft vijf van de tien grootste lithiumafzettingen in de wereld, en meer dan 60% van lithiumverwerking vindt plaats in China.10,11 de productie van lithiumchemicaliën en eindproducten omvat landen als China, Japan en Zuid-Korea. Zelfs bij handel met bondgenoten is de lithiumleveringsketen echt mondiaal. VS. het vermogen om batterijen te produceren is afhankelijk van factoren buiten zijn controle — wereldwijde handelsprijzen, buitenlandse mijnbouw-en verwerkingscapaciteiten, of zelfs een pandemie die de internationale handel beperkt. Nu de VS meer kritische mineralenproductie naar huis wil brengen, laten we lithium van de grond naar onze zakken traceren als een case study.
dieper graven
Lithium wordt gewonnen uit verschillende bronnen: pekel en hard gesteente, en andere bronnen zoals klei worden onderzocht. Ongeveer de helft van ‘ s werelds lithium komt uit grondwater pekel, water rijk aan lithiumzout. Grondwater pekel wordt meestal gewonnen in Zuid-Amerika. Toegang tot dit lithium houdt in het pompen van het water naar het oppervlak en laat het zitten in enorme vijvers voor maanden of jaren tot de lithiumconcentratie hoog genoeg is. Lithium kan ook worden gewonnen uit hard gesteente in de grond in een traditionele mijn. Deze mineralen zijn hoe het meeste lithium wordt verkregen in Australië en was de belangrijkste bron van lithium voor de ontdekking van de Zuid-Amerikaanse lithiumreserves.12 elk van deze soorten mijnbouw heeft te maken met milieukwesties: pekel voor zijn watergebruik en voetafdruk, en traditionele mijnen voor hun voetafdruk en uitspoeling van chemicaliën.13
nadat het uit de grond is gekomen, moet de lithiumverbinding worden verwerkt tot een bruikbaar product. Lithium chemicaliën, niet alleen lithium, worden gebruikt in Batterijen en andere producten. Dit betekent dat het lithium wordt verwerkt van de ene verbinding in een andere die kan worden gebruikt.14 Deze verwerkingsfaciliteiten zijn zeer gespecialiseerd, omdat verschillende klanten verbindingen met specifieke samenstellingen en zuiverheden nodig hebben.15 de processen zijn ook vrij energie-intensief en voegen een ingebedde koolstofvoetafdruk toe wanneer de verwerkingsfaciliteiten zich in landen met een hoge uitstoot bevinden. De meeste lithiumverwerkingsfaciliteiten bevinden zich in China, dat in April 2019 meer dan 60% van ‘ s werelds lithium produceerde.16 dit betekent dat de toeleveringsketen van een lithiumbatterij echt afhankelijk is van de wereldwijde handel, zelfs als de fabriek voor de batterij zelf in de Verenigde Staten ligt.
een verrassend element van deze toeleveringsketen is de productie van de batterij, hoewel de lithiumverwerking soortgelijke problemen ondervindt. Het maken van een lithium-ion batterij is ook een energie-intensief productieproces. Vaak komt deze energie uit koolstofuitstotende bronnen, en als dat gebeurt, is die energie goed voor de helft van de koolstofvoetafdruk van een lithium-ion batterij. Transport ook factoren in; het verschepen van lithium van Chili naar China naar Japan of Zuid-Korea voegt een niet-onbelangrijk broeikasgas voetafdruk; alleen het transporteren van voltooide batterijcellen van Zuid-Korea naar Michigan voegt een 4,1 kg CO2e/kWh voetafdruk.17
nu we de stukken op hun plaats hebben, laten we eens kijken naar een lithium-ion batterij die in de spotlight is geweest: dat in een Tesla auto, de semi truck iteratie van die onlangs werd vertraagd als gevolg van de batterij productie beperkingen. Een elektrische auto heeft een enorme hoeveelheid lithium nodig; het batterijpakket in een Tesla Model S heeft 140 pond lithium nodig, het bedrag in 10.000 mobiele telefoons.18 Tesla bronnen lithium uit Australië Kidman Resources Mines, een hardrock Mijn; het bedrijf onlangs samen met SQM, een Chileens bedrijf, om de Mt ontwikkelen. Holland Lithium Project in West-Australië om meer mijncapaciteit voor Tesla toe te voegen. De steen wordt vervolgens naar China ‘ s Ganfeng Lithium gestuurd voor verwerking tot lithiumhydroxide, de chemische stof die Tesla in zijn batterijen gebruikt. Die chemische stof wordt naar Tesla ‘ s fabrieken in New York, Nevada, Californië en Shanghai gestuurd om er een batterij van te maken. Dus ook al worden veel Model 3 elektrische voertuigen geproduceerd in Fremont, CA, die productie is afhankelijk van een web van bedrijven, processen en ketens die de wereld omcirkelen. Zelfs Tesla ‘ s geplande Gigafactory op zonne-energie, al de grootste batterijfabriek ter wereld, brengt alleen dat laatste productie-element van de batterijleveringsketen naar de Verenigde Staten.
dit proces wordt bemoeilijkt doordat elke stap-mijnbouw, verwerking en uiteindelijk het eindgebruik van de productie-inherent gekoppeld is aan de vraag aan het einde van de toeleveringsketen. De Mt. Holland project is afhankelijk van Tesla die meer batterijen wil. Batterijchemie is fragiel, wat betekent dat een lithiummijn en verwerkingsfaciliteit betrouwbaar consistente lithiumchemicaliën moeten kunnen produceren; een project om meer lithium te produceren wordt dus gedreven door het hebben van een off-taker. De prijs van lithium hangt af van de wereldmarkt, wat betekent dat het risico van het starten van een nieuw project zonder een klant in het achterhoofd onoverkomelijk is.19 Dit kan leiden tot een kip-en-ei probleem:het is bijna onmogelijk om een Mijn te bouwen zonder een off-take partner, en het is moeilijk om een dergelijke overeenkomst te krijgen zonder eerst de vaststelling van commerciële schaal mogelijkheden.20
als de VS wil een binnenlandse lithium supply chain mogelijk te maken, het heeft dus veel verschillende stadia en processen op te bouwen, evenals productie -, milieu-en economische factoren te kampen met. Gelukkig, de hoge vraag van de exploderende groei van elektrische voertuigen, ernstige geologische potentieel, en een productie-ervaren personeel geven de VS vruchtbare grond om op te bouwen. Nu we het proces achter een lithium-ion batterij begrijpen, laten we teruggaan naar de VS
huidige vs mogelijkheden
momenteel heeft de VS lage mogelijkheden maar hoge belofte: aanzienlijke lithiumafzettingen maar slechts een handvol operaties. Een Amerikaans bedrijf, Albemarle, heeft faciliteiten in North Carolina, Tennessee, en Nevada. Vandaag Albemarle ‘ s Nevada site is de enige actieve lithiummijn in de VS, het extraheren van lithium uit pekel met behulp van verdamping vijvers. Albemarle heeft momenteel een chemische conversiefabriek in North Carolina en onderzoekt de mogelijkheden om de mijnbouwactiviteiten van North Carolina opnieuw op te starten.21 daarnaast ontwikkelt het Canadese bedrijf Lithium Americas het project Thacker Pass, dat bij inbedrijfstelling de op één na grootste lithiummijn ter wereld zal zijn. Het project zal beginnen met de productie in 2022 en zal een open-pit methode gebruiken om klei te delven.22
us Innovation At Work
de VS is rijp met potentieel om meer van de lithiumleveringsketen te ontwikkelen. Vandaag zijn er verschillende projecten in ontwikkeling die niet alleen de Amerikaanse lithiumproductie uitbreiden, maar ook milieuvriendelijkere en economische manieren vinden om dit te doen. Hun geografische en technische diversiteit geeft een breed scala aan voorbeelden voor een toekomstige Amerikaanse lithium supply chain.
in het Geothermisch veld van Salton Sea in Californië proberen gecontroleerde thermische bronnen twee vogels met één steen te doden: het opwekken van energie uit geothermische warmte en het onttrekken van lithium uit de pekel. Conventionele geothermische installaties genereren warmte uit reservoirs van warm water in de buurt van het oppervlak; wanneer deze pekel aanzienlijke concentraties van lithium heeft, kan dat lithium hypothetisch worden geëxtraheerd zoals uit elke andere lithium pekel. Deze techniek wordt directe lithiumextractie genoemd. Een belangrijk voordeel van deze methode is de ecologische voetafdruk — ze gebruikt minder ruimte en minder water dan traditionele pekelwinning, is gesloten door de pekel terug te brengen naar de bron en wordt ter plaatse aangedreven door hernieuwbare energie. Het proces extraheert ook lithium in uren, niet maanden.23 door het systeem vanaf de grond af te ontwerpen met lithium-extractie, in een gebied met extreem hoge lithiumconcentraties, hoopt gecontroleerde thermische bronnen tegen 2023 een binnenlandse bron van lithiumcarbonaat te creëren voor de productie van elektrische voertuigen.24
in south central Arkansas neemt het Canadese bedrijf Standard Lithium in samenwerking met het Duitse chemische bedrijf Lanxess directe lithiumextractie naar bestaande infrastructuur. Momenteel omvat het Lanxess-Project 150.000 hectare en 10.000 huurovereenkomsten om pekel te verwijderen, die vervolgens naar drie verwerkingsbedrijven wordt geleid om broom te extraheren. In 2019 begon Standard Lithium met het onderzoeken van de extractie van lithium uit de pekel voordat het opnieuw in de grond werd geïnjecteerd. In het zuidwesten van de staat werkt Standard Lithium samen met Tetra Technologies om de winning van lithium uit de afval pekel van olie-en gasproductie te onderzoeken. Net als het Salton Sea-project zouden deze projecten gebruik maken van een gesloten-lussysteem dat zowel de milieu-impact als de tijd van het lithium-extractieproces vermindert.25 Deze projecten bieden ook potentieel enorme kostenbesparingen door gebruik te maken van bestaande infrastructuur, waardoor lithium in de Verenigde Staten goedkoper kan worden verkregen.
sommigen willen nog verder innoveren. Wetenschappers aan de Universiteit van Texas in Austin hebben onlangs een nieuwe filtratietechniek ontwikkeld die de tijd die nodig is om lithium uit pekel te halen aanzienlijk kan verminderen. In tests bedraagt de lithiumterugwinningsgraad tot 90%; dit betekent een efficiëntere resource recovery en een betere ecologische voetafdruk voor lithium-extractie.26 aangezien de VS niet alleen een binnenlandse kritische mineralentoevoer wil veiligstellen, maar ook het lithiumextractieproces wil verbeteren, zal dergelijke vooruitgang afhankelijk zijn van belangrijke innovatoren als deze.
voor sommige van de andere kritische mineralen kon een andere oplossing gevonden worden op de oceaanbodem nabij de Amerikaanse kust. Het potentieel van diepzeewinning kan leiden tot hogere minerale opbrengsten en veel minder giftig afval dan de traditionele winning van kritieke mineralen. Multinational DeepGreen heeft diepzee mijnbouw van “polymetallische knobbeltjes” met nikkel, mangaan en kobalt, die allemaal fungeren als een kathode in de meest voorkomende elektrische auto batterij setup, zoals vermeld.27 Massachusetts Institute of Technology (MIT) heeft ook gekeken naar dit proces om belanghebbenden te helpen het proces te ontwikkelen.28 Diepzeemineralen kunnen helpen bij de schaal van batterijgebruik terwijl onze honger naar elektrisch geladen alles groeit.
binnenlands beleid
gezien de bestaande uitdagingen in de toeleveringsketen en de wereldwijde honger naar batterijen, U.S. beleidsmakers hebben gezocht naar manieren om de binnenlandse ontwikkeling van kritieke toeleveringsketens voor mineralen te stimuleren. Tot op heden is het grootste initiatief om de binnenlandse productie van kritische mineralen te stimuleren de grote uitdaging voor energieopslag van het Ministerie van energie. In het algemeen is de uitdaging gericht op het innoveren, produceren en implementeren van energieopslagoplossingen volledig in de Verenigde Staten om tegen 2030 over een robuuste opslagportfolio te beschikken. Een belangrijk deel van deze inspanningen is gericht op het veiligstellen van een binnenlandse productie-toeleveringsketen voor kritieke mineralen, waarbij technologische vooruitgang, opschaling van innovatie en betrouwbare sourcing van materialen betrokken zijn.29 om dit doel te bereiken is een gedetailleerde verkenning van de capaciteiten van de Verenigde Staten en ontwikkeling in een groot deel van de toeleveringsketen vereist.
op wetgevingsgebied werd de bipartisan American Mineral Security Act (S. 1317) geïntroduceerd in 2019 en maakt momenteel deel uit van de American Energy Innovation Act. Het wetsvoorstel geeft de federale overheid opdracht om tools te ontwikkelen om minerale afzettingen in de Verenigde Staten beter te beoordelen. Het geeft ook toestemming voor onderzoek en ontwikkeling voor de verwerking en recycling van kritieke mineralen.30 een succesvol programma voor de productie van mineralen in de VS is gebaseerd op nauwkeurige informatie; Dit wetsvoorstel zou de noodzakelijke basis kunnen bieden voor toekomstige inspanningen voor de productie van mineralen.De ORE Act (S. 3694) van Senator Ted Cruz is meer gericht op het verminderen van de afhankelijkheid van China door de Amerikaanse productie van zeldzame aardmineralen te versterken. Het wetsvoorstel omvat belastingaftrek voor de kosten van de bouw van zeldzame aardmijnen en stimulansen aan de vraagzijde om in eigen land geproduceerde mineralen te gebruiken.31 vanaf 2019 zou Senator Marco Rubio ‘ s re-Coop 21st Century Manufacturing Act (S. 2093) een coördinerende instantie machtigen om toezicht te houden op de ontwikkeling van een geïntegreerde zeldzame aardeketen. Meer dan 80% van de zeldzame aardelementen wordt geïmporteerd uit China — zelfs mineralen uit de bergpas van Californië worden naar China verscheept voor verwerking — dus het thuisbrengen van de toeleveringsketen kan de afhankelijkheid van China verminderen.32,33
in de VS Het huis van Afgevaardigden, reps. Michael Waltz (R-FL) en Paul Gosar (R-AZ) introduceerden onlangs de American Critical Mineral Exploration and Innovation Act van 2020 (H. R. 7061), die een kader creëert voor het uitbreiden van de beveiliging van kritieke mineralen. De transversale wet doet dit door middel van uitgebreide resource assessment, onderzoek en ontwikkeling in geavanceerde kritische mineralen technologieën, en workforce development initiatieven. Het bekijken van critical minerals security from ground to industry helpt de basis te leggen voor een herschikking van het Amerikaanse critical mineral policy dat een binnenlandse supply chain stimuleert.
een andere optie om de afhankelijkheid van China te verminderen is recycling. Tegenwoordig wordt minder dan 5% van de lithium-ion-batterijen gerecycled, voornamelijk omdat het proces onaantrekkelijk is: het is energie-intensief, produceert giftige bijproducten en worstelt om een aanzienlijke hoeveelheid lithiummateriaal terug te winnen. Slechts één Amerikaans bedrijf, Retriev Technologies Inc.34,35 recycleert lithium-metaal-en lithium-ion-batterijen in de vestigingen in British Columbia en Lancaster, Ohio., De Battery and Critical Mineral Recycling Act van 2020 (S.3356) en de Lithium-Ionbatterijrecyclingprijs van het Ministerie van energie van 2019 hebben tot doel recycling R&D te verbeteren en de oprichting van Binnenlandse recyclingcentra te stimuleren.36,37
kleine batterij, grote impact
de toeleveringsketen voor lithium en andere kritieke mineralen, een fysiek klein deel van energieopslag en elektrische voertuigen, is immens en complex. Het raakt geopolitieke, ecologische en economische kwesties die momenteel buiten de directe controle van de VS liggen. De componenten voor het bouwen van een succesvolle supply chain voor Amerikaanse lithium – en energieopslag bestaan: lithium reserves, een capabele beroepsbevolking, binnenlandse vraag, en economische macht. Maar om deze componenten met succes te koppelen, moet de VS strategisch het web van factoren aanpakken dat een batterij wordt geconfronteerd op zijn reis over de hele wereld en in uw zak.