Важные минералы позволяют внедрить инновации в производстве аккумуляторов

Тенденции глобального энергетического перехода и электрификации расширяют возможности мобильности и адаптации электрооборудования, включая распространение электромобилей (EV) и решений для хранения возобновляемой энергии. Эти тенденции привели к тому, что новаторы в промышленной сфере сосредоточили свое внимание на аккумуляторных технологиях. В последние десятилетия производство аккумуляторов резко возросло благодаря неуклонному росту спроса в промышленности, появлению новых источников минерального сырья и повышению эффективности производственных процессов и технологий. 

В химическом составе аккумулятора сочетание минералов влияет на общую производительность. Различные элементы и соединения объединяются в электроды и электролит в каждом элементе, а их взаимодействие определяет характеристики аккумуляторной батареи. На этой странице показан весь путь важнейших минералов — от недр земли до создания аккумуляторных батарей, которые питают мобильные и электрические системы, от которых все больше зависит современный мир. Здесь также будет рассмотрены проблемы и стратегии поддержания стабильности цепочки поставок. 

Литий-ионные аккумуляторы, безусловно, являются самым распространенным типом среди современных аккумуляторов. В основе этих узлов лежит сложная комбинация минералов и материалов, каждый из которых вносит свой вклад в уникальные свойства аккумулятора. Хотя литий является самым известным элементом, для производства литий-ионных элементов требуются и другие минералы.

Катод влияет на несколько ключевых характеристик, включая плотность энергии, выходную мощность и срок службы элемента аккумуляторной батареи.

Кобальт, который ценится за высокую плотность энергии и стабильность, широко используется в катодах литий-ионных аккумуляторов, особенно для электромобилей. Однако добыча кобальта вызывает больше этических проблем, чем добыча большинства других минералов для аккумуляторов, что требует от ответственных производителей аккумуляторов отслеживать происхождение цепочки поставок, а также обязать заинтересованные стороны, которые отвечают за подготовительный этап, нести ответственность за применение рациональных методов. К примеру, Европейский союз ввел свод правил касательно так называемых «конфликтных минералов». Они направлены на ограничение использования минералов, которые финансируют вооруженные конфликты или добываются в условиях, нарушающих права человека.

Никель также часто используется в литий-ионных катодах, обеспечивая еще большую энергоемкость по весу и объему. Однако добыча никеля влечет за собой экологические проблемы из-за потенциального воздействия на чувствительные экосистемы. Эти последствия могут включать в себя вырубку лесов, потерю среды обитания и загрязнение воды в океанических регионах, где преимущественно добывается этот минерал, таких как Индонезия и Филиппины. По этим причинам известный американский производитель электромобилей Tesla заявил о своем отказе от использования никель-литиевых аккумуляторов в будущем.

Марганец более распространен и менее дорогостоящ, чем никель и кобальт, но не столь энергоемкий по весу или объему. Однако более низкая энергетическая плотность делает его менее реактивным и пожароопасным, а значит, более безопасным для использования в литий-ионных батареях определенных типов, таких как литий-марганец-фосфатные. Поэтому производители электроинструментов и другие чувствительные к затратам производители часто предпочитают использовать этот минерал в своих аккумуляторах.

Аноды, которые образуют отрицательный электрод аккумулятора, изготавливаются в основном из графита, являющегося быстро доступным и недорогим аллотропом углерода. Однако добыча графита также связана с экологическими проблемами, в первую очередь с возможным загрязнением пыли, воды и деградацией почвы, поэтому решение этих проблем имеет решающее значение для обеспечения устойчивого развития производства.

В ряде более современных аккумуляторных батарей высокой плотности анод изготавливается из кремния, а не из графита, так как он способен накапливать больше ионов лития. Для отрасли производства электромобилей это увеличивает диапазон и скорость зарядки. Однако свойство кремния к расширению и сжатию во время циклов зарядки и разрядки создает риски для безопасности, которые необходимо уменьшить при изготовлении элементов.

Электролит между катодом и анодом аккумулятора способствует движению ионов. Как правило, он состоит из солей лития, растворенных в органических растворителях. В настоящее время гексафторфосфат лития, созданный путем реакции фторида лития с другими растворителями, доминирует на рынке литий-ионных электролитов, но специалисты также изучают альтернативные виды литиевых солей и твердофазные электролиты.

Литий чаще всего встречается в месторождениях рассолов Южной Америки и в твердых породах Австралии. Обычно его добывают с помощью крупных прудов-испарителей или традиционных методов добычи. Оба эти метода требуют ответственного подхода, чтобы минимизировать ущерб местным водным ресурсам и экосистемам.

В отличие от многих металлов, литий не перерабатывается в металлическое состояние, а превращается в высокочистые растворимые соединения, такие как карбонат или гидроксид лития.

Для добычи рассолов требуется концентрация литиевых солей из подземных рассолов с концентрацией от 200 до 1400 мг/л, обычно с использованием больших испарительных прудов. При использовании в больших масштабах данный процесс является длительным и требует больших затрат воды.

После концентрирования рассол подвергается серии химических реакций для осаждения нежелательных веществ. Это приводит к окончательной кристаллизации, и тогда карбонат лития можно извлечь. Тщательный мониторинг этих реакций и эффективные процессы фильтрации имеют решающее значение для максимального извлечения лития и минимизации отходов.

В качестве альтернативы также можно использовать метод прямой экстракции. Этот метод обеспечивает более устойчивый способ получения лития из рассола без использования прудов-испарителей. В этом процессе используются адсорбирующие материалы, обладающие сродством к литию. В состав входят глинистые минералы и ионообменные смолы для сбора богатых литием растворителей из рассола. После насыщения адсорбентов ионами лития их подвергают десорбции и собирают раствор лития. К сожалению, этот процесс пока не может быть реализован в масштабах, необходимых для удовлетворения коммерческого спроса на литий.

Добыча твердых пород подразумевает добычу сподуменовой руды, ее дробление и превращение в бета-сподумен путем высокотемпературного нагрева во вращающихся печах. Данный процесс является достаточно энергоемким.

После обогащения руда подвергается химическим реакциям, например, в процессе добычи рассолом, который постепенно удаляет примеси. Процесс идет постепенно, пока не останется только карбонат лития, с незначительными побочными продуктами при низких концентрациях. Соединение необходимо дополнительно очистить, добавив раствор бикарбоната лития, затем отфильтровать и повторно нагреть до получения карбоната лития аккумуляторного класса. Этот класс известен как «пять девяток», или 99,999%, чистоты.

Как и литий, другие минералы для аккумуляторов должны быть очищены до необходимой степени чистоты перед тем, как использовать их в производстве аккумуляторных элементов. Для этого обычно требуется ряд химических и физических преобразований, которые зависят от конкретного минерала и его предполагаемого применения. В то время как рафинирование лития требует многоступенчатой очистки и фильтрации, кобальт и никель отделяются с помощью сложных пирометаллургических или гидрометаллургических процессов.

После очистки высокочистые материалы используются для производства компонентов аккумуляторов. Материалы для катодов и анодов синтезируются с помощью точных процессов смешивания, нагревания и нанесения покрытий. Для каждого из этих процессов требуется надежные данные измерения и контроль качества для обеспечения оптимальных характеристик аккумулятора. 

Электролиты создаются путем тщательного растворения литиевых солей в чистых растворителях, при этом ограничивается проникновение влаги, что предотвращает деградацию аккумулятора и угрозу безопасности. Затем эти компоненты соединяются вместе, где они замысловато укладываются, оборачиваются и герметично закрываются, чтобы предотвратить утечку и обеспечить продолжительность их использования.

В процессе сборки отдельные элементы объединяются в аккумуляторные блоки и модули. Эти блоки и модули предназначены для конкретных применений, например, для смартфонов, электромобилей или сложных систем управления питанием на основе аккумуляторов.

Путь минералов в аккумуляторах не заканчивается после их первого использования. В связи с тем, что промышленность и общественность понимают ограниченность этих ресурсов и воздействие их добычи и переработки на окружающую среду, все активнее внедряются принципы экономики замкнутого цикла. Для достижения этой цели нужно предпринять меры по повышению эффективностипереработки аккумуляторных батарей , которые позволят извлекать ценные минералы из отслуживших свой срок аккумуляторов. Таким образом, снижается зависимость от новых источников добычи и уменьшается уязвимость цепочки поставок.

В связи с ростом спроса на литий-ионные аккумуляторы оптимизация процессов добычи, производства и переработки минерального сырья необходима для обеспечения устойчивого функционирования и минимизации вреда для окружающей среды. Меры, которые следует учесть, включают реализацию надежных стратегий управления водными ресурсами, тщательное соблюдение региональных экологических норм и инвестиции горнодобывающих компаний и заинтересованных сторон в прямую добычу лития.

Производство минералов для аккумуляторов отражает взаимосвязь между технологиями, окружающей средой и движением общества. По мере того как человечество осуществляет великий энергетический переход и стремится к достижению целей, предполагающих снижение выбросов углекислого газа, в долгосрочных стратегиях устойчивого развития в индустрии следует интегрировать этические нормы, защиту окружающей среды и экономическую эффективность. Для достижения этого требуется технологический прогресс, этичное использование сырья и в целом экологически устойчивое производство.