publicerat Juni 11, 2020 av Cameron Tarry och Faith Martinez-Smith
introduktion
är du medveten om hur många minuter du spenderar på din telefon varje vecka? I genomsnitt spenderar vuxna mer än 3 timmar om dagen på en smartphone, men har du någonsin pausat för att tänka på vad din mobiltelefon är gjord av? Visst finns det ett glaslock, lite metall och plast, men hur är det med batteriet?
mobiltelefoner väger ~7 uns, och batteriet är 1/5 av det.1 de flesta telefoner är beroende av ett litiumjonbatteri, som använder mindre än ett gram (3/100ths av ett uns) litium som ”medium” för energilagring.2 när litium skapar joner flyter de mellan anod och katod för att skapa en laddning. Ganska coolt, rätt!
men för det lilla spåret av litium måste vi kunna sms mamma, försörjningskedjan för att få det är verkligen komplicerat.
litiumjonbatterier finns inte bara i våra telefoner-de är faktiskt i centrum för vår övergång till ren energi. Andra material som grafit som också används i batterier; och tellur, som används i nästa generations solceller är viktiga, men litium Driver definitivt batterilagringsmarknaden. I stort sett allt-från din telefon, till elfordon, till lagringslösningar i verktygsskala — hittar applikationer för litium.3
kanske har du läst om det nya litiumjonbatteriet som Tesla arbetar med med den kinesiska batteritillverkaren Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) det sägs hålla i mer än 1 miljon miles och skulle ha en jordskakande inverkan på batteritekniken.4 men det finns en stor fråga: Var kommer litium och andra kritiska material från? Idag är svaret-inte Usa
USA: s nationella säkerhet försvagas om förmågan att bygga i USA beror på material och utbyten långt utanför USA: s kontroll.
kritisk, men inte inhemsk
år 2018 publicerade USA: s inrikesdepartement en lista över 35 kritiska mineraler: mineraler som är ”kritiska för USA: s ekonomiska och nationella säkerhet.”5 dessa mineraler är viktiga för driften av viktiga sektorer som flyg, försvar, energi, elektronik och transport, men har försörjningskedjor som är lätta att störa.6 för det första kan dessa mineraler hittas i jordskorpan, men bryts bara eller bearbetas på koncentrerade geografiska platser. Komponenter i vissa litiumjonbatterier, som grafit, litium, kobolt och mangan, finns också på denna lista.
USA importerar de flesta av dessa kritiska mineraler i varierande kvantiteter. Även om USA är ledande inom produktion av beryllium och helium, är det helt beroende av import för 14 av mineralerna, inklusive bauxit, den primära källan till aluminium och tantal, som är en kondensator i viss elektronik. Däremot är Kina den överlägset ledande producenten av kritiska mineraler och dominerar produktionen av 16 av dem.7
Kina är den ledande producenten av kritiska mineraler medan USA importerar 14 av dem
Än sen? Låt oss titta på batterier som ett exempel. Många litiumjonbatterier använder kobolt i sin katod. Trots att det används så mycket produceras över 90% kobolt som en biprodukt för att extrahera andra resurser, vilket gör dess produktion beroende av faktorer förutom efterfrågan på batterier. Dessutom är över 65% av den globala produktionen koncentrerad till Demokratiska republiken Kongo, ett land där FN fortfarande upprätthåller en fredsbevarande närvaro.8,9 världen är således inte bara beroende av ett land för sin försörjning, utan denna försörjning kan rimligen avbrytas av en geografiskt specifik eller orelaterad händelse. Även om det bara är en investerare i många koboltgruvor kontrollerar Kina 70% av kapaciteten att omvandla koboltmalm till koboltkemikalier för batteriindustrin, vilket ger dem ytterligare kontroll över leveranskedjan.
liksom många av dessa kritiska mineraler står litium inför samma utmaningar. Även om det är rikligt, är litium svårt att extrahera och bearbeta. De flesta litiumbrytningar är koncentrerade i Latinamerika och Australien, medan Kina kontrollerar det mesta av bearbetningskapaciteten; Australien ensam har fem av de tio största litiumfyndigheterna i världen, och över 60% av litiumbearbetningen sker i Kina.10,11 produktion av litiumkemikalier och slutprodukter spänner över länder som Kina, Japan och Sydkorea. Även vid handel med allierade är litiumförsörjningskedjan verkligen global. USA. möjligheten att tillverka batterier är beroende av faktorer utanför dess kontroll — globala handelspriser, utländsk gruv-och bearbetningsförmåga eller till och med en pandemi som begränsar internationell handel. Eftersom USA ser ut att få mer kritisk mineralproduktion hem, låt oss spåra litium från marken till våra fickor som en fallstudie.
gräva djupare
litium bryts från olika källor: saltlake och hårdrock, med andra som lera under utforskning. Ungefär hälften av världens litium kommer från grundvatten saltlösning, vatten rik på litiumsalt. Grundvatten saltlösning bryts oftast i Sydamerika. Åtkomst till detta litium innebär att pumpa vattnet till ytan och låta det sitta i stora dammar i månader eller år tills litiumkoncentrationen är tillräckligt hög. Litium kan också brytas från hårdrock i marken i en traditionell gruva. Dessa mineraler är hur mest litium erhålls i Australien och var den viktigaste källan till litium före upptäckten av de sydamerikanska litiumreserverna.12 var och en av dessa typer av gruvdrift står inför miljöfrågor: saltlake för dess vattenanvändning och fotavtryck, och traditionella gruvor för deras fotavtryck och utlakning av kemikalier.13
när den är ur marken måste litiumföreningen bearbetas till en användbar produkt. Litiumkemikalier, inte litium ensamma, används i batterier och andra produkter. Detta innebär att litium bearbetas från en förening till en annan som kan användas.14 Dessa bearbetningsanläggningar är mycket specialiserade, eftersom olika kunder kräver föreningar med specifika kompositioner och renheter.15 processerna är också ganska energiintensiva, vilket ger ett inbäddat koldioxidavtryck när bearbetningsanläggningarna är belägna i högemitterande länder. De flesta litiumbearbetningsanläggningar finns i Kina, som producerade över 60% av världens litium i April 2019.16 detta innebär att leveranskedjan för ett litiumbatteri verkligen beror på global handel, även om tillverkningsanläggningen för själva batteriet är i USA.
ett överraskande element i denna leveranskedja kommer med tillverkning av batteriet, även om litiumbearbetning står inför liknande problem. Att göra ett litiumjonbatteri är också en energiintensiv tillverkningsprocess. Ofta kommer denna energi från kolemitterande källor, och när den gör det står den energin för hälften av ett litiumjonbatteris koldioxidavtryck. Transport också faktorer i; frakt litium från Chile till Kina till Japan eller Sydkorea lägger till en inte obetydlig växthusgas fotavtryck; bara transportera färdiga battericeller från Sydkorea till Michigan lägger till en 4.1 kg CO2e/kWh fotavtryck.17
nu har vi bitarna på plats, låt oss titta på ett litiumjonbatteri som har varit i rampljuset: det i en Tesla-bil, vars semi-truck-iteration nyligen försenades på grund av batteriproduktionsbegränsningar. En elbil behöver en enorm mängd litium; batteriet i en Tesla Model S behöver 140 pund litium, mängden i 10 000 mobiltelefoner.18 Tesla köper litium från Australiens Kidman Resources Mines, en hårdrockgruva; företaget samarbetade nyligen med SQM, ett chilenskt företag, för att utveckla Mt. Holland Litiumprojekt i västra Australien för att lägga till mer gruvkapacitet för Tesla. Stenen skickas sedan till Kinas Ganfeng litium för bearbetning till litiumhydroxid, den kemiska Tesla använder i sina batterier. Den kemikalien skickas till Teslas tillverkningsanläggningar i New York, Nevada, Kalifornien och Shanghai för att göras till ett batteri. Så även om många Modell 3 elbilar tillverkas i Fremont, CA, att tillverkningen bygger på ett nät av företag, processer, och kedjor som cirklar världen. Till och med Teslas planerade soldrivna Gigafactory, som redan är den högsta volymen batterifabrik i världen, tar bara det slutliga tillverkningselementet i batteriförsörjningskedjan till USA.
att göra denna process mer komplicerad är att varje steg – gruvdrift, bearbetning och slutligen tillverkning slutanvändning – i sig är kopplat till efterfrågan i slutet av försörjningskedjan. Mt. Holland-projektet beror på att Tesla vill ha fler batterier. Batterikemi är bräcklig, vilket innebär att en litiumgruva och bearbetningsanläggning måste kunna producera konsekventa litiumkemikalier på ett tillförlitligt sätt; ett projekt för att producera mer litium drivs således av att ha en off-taker. Priset på litium beror på den globala marknaden, vilket innebär att risken för att inleda ett nytt projekt utan en kund i åtanke är oöverstiglig.19 Detta kan skapa ett problem med kyckling och ägg: det är nästan omöjligt att bygga en gruva utan en off-take-partner, och det är svårt att få ett sådant avtal utan att först upprätta kapacitet i kommersiell skala.20
om USA. vill möjliggöra en inhemsk litiumförsörjningskedja, det har således många olika steg och processer att bygga upp, liksom tillverkning, miljö och ekonomiska faktorer att kämpa med. Lyckligtvis ger hög efterfrågan från den exploderande tillväxten av elfordon, allvarlig geologisk potential och en tillverkningserfarna arbetskraft USA bördig grund att bygga på. Nu förstår vi processen bakom ett litiumjonbatteri, låt oss vända tillbaka till USA
nuvarande amerikanska kapacitet
för närvarande har USA låg kapacitet men högt löfte: betydande litiumavlagringar men bara en handfull operationer. Ett amerikanskt företag, Albemarle, har anläggningar i North Carolina, Tennessee och Nevada. Idag är Albemarles Nevada-webbplats den enda aktiva litiumgruvan i USA, som extraherar litium från saltlösning med förångningsdammar. Företaget minskade också historiskt hårdrock på sin North Carolina-webbplats; Albemarle driver för närvarande en kemisk omvandlingsanläggning i North Carolina och undersöker potentialen att starta om North Carolina-gruvoperationen.21 dessutom utvecklar det kanadensiska företaget Lithium Americas projektet Thacker Pass, som kommer att bli den näst största litiumgruvan i världen vid idrifttagning. Projektet är inställt på att börja produktionen 2022 och kommer att använda en Open-pit-metod för att bryta lera.22
U. S. Innovation på jobbet
USA är mogen med potential att utveckla mer av litiumförsörjningskedjan. Idag finns det flera projekt i utveckling som inte bara utökar USA: s litiumproduktion, men hittar mer miljövänliga och ekonomiska sätt att göra det. Deras geografiska och tekniska mångfald ger ett brett utbud av exempel för en framtida amerikansk litiumförsörjningskedja.
vid Salton Sea geothermal field i Kalifornien försöker kontrollerade termiska resurser att döda två fåglar med en sten: generera kraft från geotermisk värme medan man extraherar litium från saltlösningen. Konventionella geotermiska växter genererar värme från reservoarer av varmt vatten nära ytan; när denna saltlösning har betydande koncentrationer av litium, att litium hypotetiskt kan extraheras som från någon annan litium saltlösning. Denna teknik kallas direkt litiumutvinning. En stor fördel med denna metod är dess miljöpåverkan – den använder mindre utrymme och mindre vatten än traditionell saltlösningsutvinning, är sluten slinga genom att återföra saltlösningen till källan och drivs av förnybar energi på plats. Processen extraherar också litium i timmar, inte månader.23 Genom att utforma systemet från grunden för att införliva litiumutvinning, i ett område med extremt höga litiumkoncentrationer, hoppas kontrollerade termiska resurser att skapa en inhemsk källa av litiumkarbonat till 2023 för tillverkning av elfordon.24
i södra centrala Arkansas tar det kanadensiska företaget Standard Lithium direkt litiumutvinning till befintlig infrastruktur i samarbete med det tyska kemiföretaget Lanxess. För närvarande omfattar Lanxess-projektet 150 000 hektar och 10 000 hyresavtal för att dra ut saltlösning, som sedan leds till tre bearbetningsanläggningar för att extrahera brom. År 2019 började standard litium utforska extraktion av litium från saltlösningen innan den injicerades i marken. I sydvästra delen av staten samarbetar standard Lithium med Tetra Technologies för att utforska utvinning av litium från spilllösningen från olje-och gasproduktion. Liksom Salton Sea-projektet skulle dessa projekt använda ett slutet system som minskar både miljöpåverkan och tiden för litiumutvinningsprocessen.25 dessa projekt erbjuder också potentiellt stora kostnadsbesparingar genom att utnyttja befintlig infrastruktur, vilket ger ett billigare sätt att få litium i USA.
vissa vill förnya sig ytterligare. Forskare vid University of Texas i Austin utvecklade nyligen en ny filtreringsteknik som avsevärt kan minska tiden det tar att extrahera litium från saltlösning. I tester är litiumåtervinningsgraden upp till 90%; detta innebär effektivare resursåtervinning och ett bättre miljöavtryck för litiumutvinning.26 eftersom USA inte bara ser ut att säkra en inhemsk kritisk mineralförsörjning, utan också förbättra litiumutvinningsprocessen, kommer sådana framsteg att förlita sig på viktiga innovatörer som dessa.
för några av de andra kritiska mineralerna kunde en annan lösning hittas på havsbotten nära Amerikanska kustlinjer. Potentialen för djuphavsbrytning kan erbjuda högre mineralutbyten och mycket mindre giftigt avfall än traditionell kritisk mineralbrytning. Multinationellt företag DeepGreen har utforskat djuphavsbrytning av” polymetalliska noduler ” innehållande nickel, mangan och kobolt, som alla fungerar som en katod i den vanligaste elektriska fordonsbatteriuppsättningen, som nämnts.27 Massachusetts Institute of Technology (MIT) har också tittat på denna process för att hjälpa intressenter att utveckla processen.28 Djuphavsmineraler kan hjälpa till i omfattningen av batteriutplacering när vår hunger efter elektriskt laddat allt växer.
inrikespolitik
med tanke på de befintliga utmaningarna i leveranskedjan och den globala hungern efter batterier, U.S. policymakers har letat efter sätt att stimulera inhemsk utveckling av kritiska mineralförsörjningskedjor. Hittills är det största initiativet för att stimulera inhemsk kritisk mineralproduktion Department of Energy energilagring Grand Challenge. I stort sett syftar utmaningen till att förnya, producera och distribuera energilagringslösningar helt i USA för att ha en robust lagringsportfölj fram till 2030. En betydande del av detta arbete fokuserar på att säkra en inhemsk tillverkningskedja för kritiska mineraler, med tekniska framsteg, skala upp innovation och pålitlig inköp av material.29 för att uppnå detta mål krävs en detaljerad undersökning av USA: s kapacitet och utveckling i stora delar av leveranskedjan.
på lagstiftningsfronten infördes bipartisan American Mineral Security Act (S. 1317) 2019 och är för närvarande en del av American Energy Innovation Act. Lagförslaget leder den federala regeringen att utveckla verktyg för att bättre bedöma mineralfyndigheter i USA. Det tillåter också forskning och utveckling för bearbetning och återvinning av kritiska mineraler.30 ett framgångsrikt program för amerikansk mineralproduktion bygger på korrekt information; denna proposition kan ge den nödvändiga grunden för framtida mineralproduktionsinsatser.
Senator Ted Cruz ’ s ORE Act (S. 3694) syftar till att minska beroendet av Kina genom att stärka USA: s produktion av sällsynta jordartsmetaller. Räkningen innehåller skatteavdrag för kostnaden för att bygga sällsynta jordartsminor och incitament på efterfrågesidan för att använda inhemskt producerade mineraler.31 Från 2019, Senator Marco Rubios RE-Coop 21st Century Manufacturing Act (S. 2093) skulle tillåta ett samordnande organ att övervaka utvecklingen av en integrerad leveranskedja för sällsynta jordartsmetaller. Över 80% av sällsynta jordartsmetaller importeras från Kina — även mineraler som bryts i Kaliforniens bergspass skickas till Kina för bearbetning — så att försörjningskedjan kan minska beroendet av Kina.32,33
i USA. Representanthuset, reps Michael Waltz (R-FL) och Paul Gosar (r-AZ) introducerade nyligen American Critical Mineral Exploration and Innovation Act of 2020 (HR 7061), som fastställer en ram för att utöka kritisk mineralsäkerhet. Crosscutting bill gör detta genom utökad resursbedömning, forskning och utveckling inom avancerad kritisk mineralteknik och initiativ för arbetskraftsutveckling. Att se kritisk mineralsäkerhet från mark till industri hjälper till att lägga grunden för en omjustering av USA: s kritiska mineralpolitik som uppmuntrar en inhemsk försörjningskedja.
ett annat alternativ för att minska beroendet av Kina är återvinning. Idag återvinns mindre än 5% av litiumjonbatterierna, främst för att processen är oattraktiv: den är energiintensiv, producerar giftiga biprodukter och kämpar för att återvinna en betydande mängd litiummaterial. Endast ett amerikanskt företag, Retriev Technologies Inc.34,35 återvinner litiummetall-och litiumjonbatterier vid sina anläggningar i British Columbia och Lancaster, Ohio., Batteri-och kritisk Mineralåtervinningslag från 2020 (S.3356) och Department of Energy ’ s Lithium-Ion Battery Recycling Prize of 2019 syftar till att förbättra återvinningen r&D och stimulera skapandet av inhemska återvinningscentraler.36,37
litet batteri, stor inverkan
leveranskedjan för litium och andra kritiska mineraler, en fysiskt liten del av energilagring och elfordon, är enorm och komplex. Det berör geopolitiska, miljömässiga och ekonomiska frågor som för närvarande ligger utanför USA: s direkta kontroll. Komponenterna för att bygga en framgångsrik försörjningskedja för Amerikansk litium-och energilagring finns: litiumreserver, en kompetent arbetskraft, inhemsk efterfrågan och ekonomisk makt. Men för att lyckas länka dessa komponenter måste USA strategiskt ta itu med webben av faktorer som ett batteri står inför på sin resa runt om i världen och i fickan.