Укрепление цепочки добавленной стоимости аккумуляторов

В последние десятилетия отрасль производства аккумуляторов переживает бурный рост, что обусловлено повышением значимости портативности и гибкости в повседневной жизни. Современные литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы зародились в 1990-х годах и первоначально были разработаны для использования в бытовой электронике, а сейчас они являются основным элементом в мобильных телефонах, ноутбуках и других устройствах.

Мартин Эберхард, один из основателей компании Tesla, сделал значительный прорыв, собрав несколько литиевых аккумуляторов для питания электромобилей. Он пришел к выводу, что технологии, которые применяются для производства батарей для ноутбуков, можно адаптировать для экономически эффективного производства этих гораздо более мощных аккумуляторов. В результате Tesla и другие производители электромобилей интегрировали данную технологию в существующую цепочку поставок аккумуляторов. Флагманский автомобиль Tesla Roadster 2008 года оснащался 6 831 литий-ионной батареей для ноутбуков, обеспечивая запас хода в 400 км (250 миль) и максимальную скорость более 200 км/ч (130 миль/ч).

Помимо электромобилей, вопросы охраны окружающей среды стимулируют переход на экологически чистые технологии производства энергии, включая ветряную, солнечную и геотермальную. Из-за прерывистой генерации этих источников энергии использование аккумуляторов все еще важно. Современные литиевые аккумуляторы также все чаще используются для непрерывного питания микросетей, которые являются альтернативой традиционным электрическим сетям. Это особенно важно для центров обработки данных и других систем с резервным питанием.

Литий проходит множество этапов и процессов, включая добычу, очистку, производство аккумуляторов и доставку, на своем пути — от его добычи из недр земли до оптовых и розничных рынков. В связи с этим цена на литиевые аккумуляторы отражает все промежуточные этапы. Большие литиевые аккумуляторы могут быть довольно дорогими. Например, стоимость замены аккумуляторного блока Tesla Model S составит от 8 000 до 10 000 долларов США.

Цепочка добавленной стоимости аккумуляторов состоит из четырех основных этапов:

1. Этап добычи: В шахтах добывают литий, кобальт, марганец, фосфаты, никель и графит для использования в производстве литий-ионных аккумуляторов.
2. Этап переработки: Перерабатывающие и очистительные предприятия производят активные компоненты катода и анода, а сырьевые дилеры покупают и продают эти активные компоненты компаниям, которые собирают аккумуляторные элементы.
3. Этап сбыта: Производители аккумуляторов собирают элементы в блоки, которые затем реализуются в оптовых или потребительских сетях.
4. Окончание срока службы: Специалисты по переработке аккумуляторных батарей с помощью различных методов разбирают отработанные аккумуляторы на отдельные компоненты, которые повторно используются для производства новых батарей.

Литий в промышленных количествах встречается в основном в Австралии, Аргентине, Боливии и Чили. В Австралии для переработки большей части литиевой руды используются открытые карьеры по добыче сподумена. Шахта Greenbushes, которая расположена в Западной Австралии, — крупнейшая в мире шахта по добыче лития в твердых породах. Здесь ежегодно производится литиевого сподумена на сумму около 5,6 миллиарда долларов США.

В Северной и Южной Америке литий получают из соляных рассолов, которые находятся под древними соляными плато. Добывающие компании производят буровые работы в этих соленых водоносных пластах, а затем закачивают жидкость в сушильные слои, где большая ее часть испаряется, оставляя литиевые соли. Другие минералы, такие как бром, также могут быть извлечены из концентратов в сушильном слое.

После того как сырье будет добыто, его необходимо переработать в пригодные для использования вид. По данным Bloomberg NEF , Китай, Южная Корея и Япония — ведущие мировые производители аккумуляторов. В настоящее время Китай доминирует в глобальной цепочке поставок литий-ионных аккумуляторов, производя 80% от общего объема литий-ионных аккумуляторов, 70% катодов и 80% анодов. Кроме того, Китай перерабатывает и очищает более половины мирового объема лития, фосфатов, кобальта и графита.

На долю Южной Кореи и Японии, занявших второе место, приходится значительно меньший объем производства аккумуляторов. Южная Корея производит 15% катодных и 3% анодных электродов, Япония — 14% и 11% соответственно.

Процесс обогащения литиевой руды адаптирует процедуры из цементного производства, включая измельчение, кальцинирование, помол и сульфатацию. Выщелачивание и фильтрация используются для удаления других минералов, таких как глинозем, марганец и кальций. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет получен карбонат лития, пригодный для производства аккумуляторов.

При производстве аккумуляторов необходимо выполнить сборку целого элемента аккумулятора и, в конечном счете, сборку всех последующих элементов. Основные компоненты: катод, анод и электролит. Катоды литий-ионных аккумуляторов состоят в основном из лития, а аноды — из углерода. Каждый элемент включает в себя сепаратор и корпус для хранения материалов аккумулятора, который заполнен проводящим электролитом.

Анод и катод изготавливаются путем создания суспензии, состоящей из активного материала, проводящих и связующего веществ. Затем суспензия наносится на подложку из пленки или фольги. С помощью двух валиков под давлением фольга вырезается, обрезается и каландрируется, сплющивается, чтобы соответствовать батарее, и затем высушивается. Растворитель регенерируется для повторного использования.

После того как анод и катод будут изготовлены, между ними устанавливается сепаратор. Затем весь корпус заполняется гелем с электролитом.

Среди типичных проблем цепочки поставок особое место занимает цепочка добавленной стоимости аккумуляторов, где требуется обеспечить критически важный контроль за соблюдением требований безопасности и экологической устойчивости. Во-первых, необходимо обеспечить тщательный контроль цепочек поставок, чтобы гарантировать стабильное снабжение рассолами, рудами и другими необходимыми сырьевыми материалами. Хотя основное производство аккумуляторов находится в Китае, сырье поступает со всего мира, поэтому любые перебои с поставками могут привести к серьезным последствиям.

Кроме того, при производстве литий-ионных аккумуляторов образуются твердые, жидкие и газообразные отходы. Это создает потенциальную возможность негативного воздействия на окружающую среду, особенно в регионах со слабыми экологическими ограничениями.

Очень важно обеспечить соблюдение строгих стандартов производства, утилизации и переработки литий-ионных аккумуляторов из-за присущего им риска возгорания или взрыва. Поддельные аккумуляторы от сомнительных производителей могут усугубить эти риски.

С переработкой литий-ионных аккумуляторов также может возникнуть ряд трудностей. Хотя они считаются опасными отходами, производители могут добиться значительной энергоэкономии за счет повторного использования этих аккумуляторов, устраняя при этом негативные экологические последствия их утилизации.

Стоимость производства литий-ионных аккумуляторов достаточно высока из-за требуемого качества сырья, повышенного внимания к контролю качества, сложных производственных процедур и большого спроса. Например, для производства одной тонны чистого лития для аккумуляторов требуется 289 тонн руды, 750 тонн рассола или 28 тонн литий-ионных аккумуляторов.

Для решения этих проблем научные сотрудники изучают возможность использования натрий-ионных аккумуляторов. Натрий гораздо более распространен, чем литий, его легче добывать и он значительно дешевле. Кроме того, он менее изменчив и более стабилен.

Проточные аккумуляторы, в которых энергия хранится в жидком электролите, также находятся в стадии изучения на предмет использования для хранения энергии в сетях. Эти типы аккумуляторов состоят из двух или более резервуаров для хранения электролита, который прокачивается через электрохимический элемент для выработки электричества.

Однако натриево-ионные элементы и проточные аккумуляторы имеют меньшую плотность энергии по объему и весу по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Кроме того, они менее эффективны, что приводит к снижению надежности конечного потребления. Поэтому в обозримом будущем литий-ионные аккумуляторы останутся основной применяемой технологией.

Литий-ионные аккумуляторы произвели революцию в области портативных носителей электропитания, позволив создать такие преобразующие технологии, как смартфоны, электроинструменты, электромобили и микросети. По мере того как мир переходит на возобновляемые источники энергии и электромобили, спрос на аккумуляторы будет только расти. Однако сложная и глобально взаимосвязанная цепочка создания стоимости литиевых батарей сопряжена со значительными трудностями.

Для обеспечения экологической устойчивости во всем мире требуется гарантировать этичное использование сырья, смягчить воздействие на окружающую среду в процессе производства и решить проблему утилизации аккумуляторов. Хотя такие электрохимические альтернативы, как натриево-ионные аккумуляторы, являются перспективными, технология литий-ионных аккумуляторов остается доминирующей в этой сфере. Литий-ионные аккумуляторы — лишь один из компонентов глобального перехода на новые источники энергии и мер по сокращению выбросов углерода, цель которых — достичь нулевого уровня выбросов к 2050 году.