Klíčové minerály pohánějí inovace v oblasti baterií

Globální přechod na energii a trendy elektrifikace podporují mobilitu a elektrickou přizpůsobivost, včetně přijetí elektrických vozidel (EV) a řešení pro skladování obnovitelné energie. Tyto trendy zaměřily pozornost průmyslových inovátorů na technologii baterií. Rychle rostoucí poptávka v průmyslu vedla v posledních desetiletích k výraznému nárůstu výroby baterií, s novými zdroji minerálů pro baterie a vylepšenými efektivitami ve výrobních procesech a technologiích.

V chemii baterií kombinace minerálů přispívá k celkovému výkonu. Různé prvky a sloučeniny jsou spojeny tak, aby vytvořily elektrody a elektrolyt v každém článku, přičemž jejich vzájemné interakce určují vlastnosti baterie. Tato stránka sleduje cestu klíčových minerálů od Země až po baterie, které pohánějí mobilní a elektrické systémy, na kterých je moderní svět stále více závislý. Zkoumá také výzvy a strategie pro udržení stability dodavatelského řetězce.

Lithium-iontové (Li-ion) baterie jsou v současnosti nejvýraznějším typem baterií na trhu. Tyto součástky využívají komplexní kombinaci minerálů a materiálů, z nichž každý přispívá k jedinečným vlastnostem baterie. I když je lithium nejvýznamnějším prvkem, pro výrobu Li-ion článků jsou nezbytné i další minerály.

Katoda baterie ovlivňuje několik klíčových vlastností výkonu, včetně energetické hustoty, výkonu a životnosti článku.

Kobalt je ceněn pro svou vysokou energetickou hustotu a stabilitu a běžně se používá v katodách Li-ion baterií, zejména pro elektromobily. Těžba kobaltu však čelí větším etickým problémům než většina ostatních minerálů pro baterie, což vyžaduje, aby odpovědní výrobci baterií sledovali původ svých dodavatelských řetězců a zajišťovali odpovědné praktiky od svých dodavatelů. Evropská unie například zavedla regulace týkající se tzv. konfliktových minerálů. Tyto regulace mají za cíl omezit používání minerálů, které financují ozbrojené konflikty nebo jsou těženy za podmínek porušujících lidská práva. .

Nikl je také často používán v katodách Li-ion baterií, protože poskytuje ještě vyšší energetickou kapacitu jak podle hmotnosti, tak objemu. Nicméně těžba niklu vyvolává environmentální obavy kvůli jeho možnému dopadu na citlivé ekosystémy. Tyto účinky mohou zahrnovat odlesňování, ztrátu přírodních stanovišť a znečištění vody v oceánských oblastech, kde tento minerál převážně pochází, jako jsou Indonésie a Filipíny. Z těchto důvodů významný americký výrobce elektromobilů Tesla oznámil, že v budoucnu opustí baterie na bázi niklu. ¹

Mangan je hojnější a levnější než nikl a kobalt, ale není tak energeticky hustý podle hmotnosti ani objemu. Jeho nižší energetická hustota však znamená, že je méně reaktivní a méně náchylný k požárům, což jej činí bezpečnějším pro použití v některých typech Li-ion baterií, jako je lithium-mangan fosfát. Výsledkem je, že výrobci elektrického nářadí a další cenově citliví výrobci často preferují tento minerál pro použití ve svých bateriích.

Anody tvoří zápornou elektrodu baterie, která je primárně vyrobena z grafitu, snadno dostupného a levného allotropu uhlíku. Těžba grafitu však vyvolává i environmentální obavy, především kvůli možnému znečištění prachem, kontaminaci vody a degradaci půdy. Řešení těchto problémů je proto klíčové pro udržitelné provozy.

V některých novějších bateriích s vysokou hustotou je anoda vyrobena ze silikonu místo grafitu, díky jeho schopnosti uchovávat více lithium-iontů. Pro elektromobilní průmysl to znamená zvýšení dojezdu a rychlosti nabíjení. Nicméně tendence silikonu expandovat a smršťovat se během cyklů nabíjení a vybíjení představuje bezpečnostní riziko, které musí být v konstrukci článků eliminováno.

Elektrolyt mezi katodou a anodou baterie usnadňuje tok iontů. Obvykle se skládá z lithných solí rozpuštěných v organických rozpouštědlech. Lithium hexafluorofosfát, který vzniká reakcí lithného fluoridu s jinými rozpouštědly, v současnosti dominuje trhu s elektrolyty Li-ion baterií, ale vědci také zkoumají alternativní lithné soli a pevné elektrolyty.

Lithium se nejčastěji nachází v nalezištích solných pánví v Jižní Americe a v tvrdých horninách v Austrálii. Obvykle se těží pomocí rozsáhlých odpařovacích lagun nebo konvenčních těžebních metod. Oba způsoby těžby vyžadují zodpovědný přístup k minimalizaci škod na místních vodních zdrojích a ekosystémech.

Na rozdíl od mnoha kovů, lithium není rafinováno do kovového stavu, ale spíše do vysoce čistých rozpustných sloučenin, jako je lithium karbonát nebo lithium hydroxid.

Těžba z roztoků soli (brine) vyžaduje koncentrování lithných solí z podzemních solných roztoků o koncentraci 200 až 1400 mg/L, obvykle pomocí velkých odpařovacích lagun. Tento proces, prováděný ve velkém měřítku, je časově náročný a vysoce náročný na vodu.

Jakmile je roztok koncentrován, prochází sérií chemických reakcí, které vedou k vysrážení nežádoucích sloučenin. Tím dochází k postupné krystalizaci, aby bylo možné extrahovat lithium karbonát. Pečlivé sledování těchto reakcí a efektivní filtrační procesy jsou klíčové pro maximalizaci zisku lithia a minimalizaci odpadu.

Alternativně lze použít přímou těžbu lithia, která poskytuje udržitelnější způsob získávání lithia z roztoků soli bez potřeby odpařovacích lagun. Tento proces využívá adsorpční materiály, které mají afinitu k lithiu. Mezi tyto materiály patří jílové minerály a iontoměničové pryskyřice, které slouží k zachycení roztoků bohatých na lithium z roztoku soli. Jakmile jsou adsorpční materiály nasyceny ionty lithia, podléhají desorpci a roztok lithia je zachycen. Tento proces však zatím není ekonomicky životaschopný ve potřebném měřítku pro splnění komerční poptávky po lithiu.

Těžba tvrdých hornin zahrnuje dobývání rudy spodumenu, její drcení a následnou přeměnu na beta-spodumen vysokoteplotním zahříváním v rotačních pecích. Celý proces je energeticky náročný.

Jakmile je ruda přeměněna, prochází chemickými reakcemi, podobnými procesu těžby z roztoků soli, které postupně odstraňují nečistoty. Tento proces pokračuje krok za krokem, dokud nezůstane pouze lithium karbonát s nízkými koncentracemi vedlejších produktů. Sloučenina musí být dále čištěna přidáním roztoku lithného hydrogenuhličitanu, následně filtrována a znovu zahřívána, dokud není dosaženo lithium karbonátu požadované kvality pro baterie. Tento stupeň kvality je známý jako „pět devítek“ nebo 99,999% čistota ² .

Podobně jako lithium, i další minerály pro baterie musí být před použitím ve výrobě bateriových článků rafinovány na požadovanou čistotu. To obvykle vyžaduje sérii chemických a fyzikálních transformací, které se liší v závislosti na konkrétním minerálu a jeho zamýšleném použití. Zatímco rafinace lithia zahrnuje několik stupňů čištění a filtrace, kobalt a nikl jsou oddělovány složitými pyrometalurgickými nebo hydrometalurgickými procesy.

Po rafinaci jsou vysoce čisté materiály použity k výrobě komponent baterií. Materiály pro katody a anody jsou syntetizovány pomocí přesného míchání, zahřívání a nanášení povlaků, přičemž každý z těchto procesů vyžaduje spolehlivé měření a kontrolu kvality, aby byla zajištěna optimální výkonnost baterie.

Elektrolyty jsou formulovány pečlivým rozpouštěním lithných solí v čistých rozpouštědlech, přičemž je omezen vstup vlhkosti, aby se zabránilo degradaci baterie a bezpečnostním rizikům. Tyto komponenty se následně spojují, kde jsou složitě vrstveny, obalovány a hermeticky uzavřeny, aby se zabránilo úniku a zajistila dlouhá životnost.

Během montáže jsou jednotlivé články spojeny do bateriových modulů a packů, které jsou přizpůsobeny konkrétním aplikacím, jako jsou chytré telefony, elektrická vozidla (EV) a sofistikované systémy řízení energie s bateriemi.

Cesta minerálů pro baterie nekončí jejich prvním použitím. Jak průmysl, tak veřejnost si uvědomují konečnost těchto zdrojů a s tím spojený environmentální dopad jejich těžby a zpracování. Vzniká tlak na přijetí principů cirkulární ekonomika. K dosažení tohoto cíle je třeba usilovat o zlepšení životaschopnosti recyklace baterií, která umožní získávání cenných minerálů z baterií na konci životnosti. To snižuje závislost na nové těžbě a zmírňuje zranitelnost dodavatelských řetězců.

Jak poptávka po lithium-iontových bateriích roste, je nezbytné optimalizovat procesy těžby minerálů, výroby a recyklace, aby byla zajištěna dlouhodobá udržitelnost operací a minimalizován environmentální dopad. Mezi opatření, která by měla být zvážena, patří zavedení silných strategií hospodaření s vodními zdroji, pečlivé dodržování regionálních environmentálních předpisů a investice těžebních společností a zainteresovaných stran do přímé těžby lithia.

Výroba minerálů pro baterie představuje propojení technologie, životního prostředí a společenských změn. Jak lidstvo prochází velkou energetickou transformací a společně směřuje k cílům uhlíkové neutrality, musí průmysl integrovat etiku, ochranu životního prostředí a ziskovost do svých dlouhodobých strategií udržitelnosti. Trvalý úspěch vyžaduje technologický pokrok, etické získávání surovin a celkovou udržitelnou výrobu.