Toekomstige materiaalbehoefte voor lithiumbatterijen voor auto’s

Nu de wereld verschuift naar elektrische voertuigen om klimaatverandering tegen te gaan, is het belangrijk om de toekomstige vraag naar belangrijke batterijmaterialen te kwantificeren. In een nieuw rapport lieten Chengjian Xu, Bernhard Steubing en een onderzoeksteam van de Universiteit Leiden, Nederland en het Argonne National Laboratory in de VS zien hoe de eisen van een lithium-, nikkel-, kobalt- en mangaanoxide-gedomineerde batterij zullen toenemen door vele factoren tussen 2020 tot 2050. Als gevolg hiervan zullen de toeleveringsketens voor lithium, kobalt en nikkel een aanzienlijke uitbreiding en waarschijnlijk aanvullende ontdekking van hulpbronnen vereisen. Desalniettemin zijn de onzekerheden groot met betrekking tot de ontwikkeling van elektrische wagenparken en batterijcapaciteiten per voertuig. Hoewel recycling in een gesloten kringloop een ondergeschikte maar steeds belangrijkere rol speelt om de vraag naar primair materiaal tot 2050 te verminderen, moeten onderzoekers geavanceerde recyclingstrategieën implementeren om op een economische manier materialen van batterijkwaliteit terug te winnen uit afgedankte batterijen. Dit werk is nu gepubliceerd op Nature Communications Materials.

De evolutie van elektrische voertuigen (EV’s)

Elektrische voertuigen (EV’s) hebben een verminderde klimaatimpact vergeleken met voertuigen met verbrandingsmotoren. Dit voordeel heeft geleid tot een enorme toename van de vraag, waar wereldwijde vloten zijn gegroeid van een paar duizend van slechts tien jaar geleden, tot 7,5 miljoen in 2019. De wereldwijde gemiddelde markt van de voertuigen is echter nog steeds beperkt, terwijl de toekomstige groei naar verwachting de groei uit het verleden in absolute cijfers zal verkleinen. Lithium-ionbatterijen (LIB’s) zijn momenteel de dominante technologie voor elektrische voertuigen, en typische LIB’s voor auto’s bevatten lithium, kobalt en nikkel in de kathode, met grafiet in de anode, naast aluminium en koper in andere componenten. De batterijtechnologie vordert momenteel voor nieuwe en verbeterde chemie. In dit werk, Xu et al. bestudeerde de wereldwijde materiaalvraag naar accu’s voor lichte elektrische voertuigen, van lithium, nikkel en kobalt tot grafiet en silicium, en koppelde de materiaalbehoefte aan de lopende productiecapaciteiten en bekende reserves om sleutelfactoren te bespreken om accu’s te verbeteren. Het werk zal de overgang naar elektrische voertuigen ondersteunen door inzicht te geven in de toekomstige vraag naar batterijmateriaal, naast de belangrijkste drijvende factoren.

De vlootgroei van elektrische voertuigen (EV’s)

Het team voorspelde de groei van de EV-vloot op basis van twee scenario’s van het Internationaal Energieagentschap (IEA) tot 2030. Deze omvatten het verklaarde beleid (STEP) ten opzichte van bestaand overheidsbeleid en het scenario voor duurzame ontwikkeling (SD) verenigbaar met de klimaatdoelstellingen van de Overeenkomst van Parijs van het bereiken van 30 procent wereldwijde verkoop van elektrische voertuigen tegen 2030. In deze analyse, Xu et al. verlengde deze scenario’s tot 2050. Om aan het STEP-scenario te voldoen, zal tegen 2050 een batterijcapaciteit van ongeveer 6 TWh per jaar nodig zijn. De materiaalvereisten zullen afhangen van de keuze van de gebruikte batterijchemie met de drie huidige batterijchemie.

Het meest waarschijnlijke scenario zal de huidige trend volgen van het wijdverbreide gebruik van lithium-nikkel-kobalt-aluminium- (NCA) en lithium-nikkel-kobalt-mangaan (NCM) -batterijen (voortaan bekend als de NCX, waarin X staat voor aluminium of mangaan). Dit zal leiden tot het evolutie van batterijchemie tegen 2030. De lithium-ijzerfosfaten (LFP) die het kathodemateriaal van de lithium-ionbatterij kunnen vormen, zullen naar verwachting in de toekomst in toenemende mate voor elektrische voertuigen worden gebruikt. Hoewel hun lagere specifieke energie het brandstofverbruik en de actieradius van EV’s kan beïnvloeden, zijn de LFP’s voordelig vanwege de lagere productiekosten, betere thermische stabiliteit en langere levenscyclus. Hoewel het gebruik van LFP-batterijen momenteel gebruikelijk is in commerciële transportvoertuigen zoals bussen, zijn er ook vooruitzichten voor wijdverbreid gebruik in lichte elektrische voertuigen, inclusief Tesla’s.

Vraag naar batterijmateriaal en recyclingmogelijkheden

De wetenschappers beoordeelden vervolgens de wereldwijde vraag naar batterijen voor elektrische voertuigen en merkten op dat de groeiende vraag naar lithium slechts in geringe mate wordt beïnvloed door de specifieke chemie van de batterij, terwijl de specifieke batterijchemie van nikkel en kobalt een sterkere invloed had op hun vraag. . Het team voorspelde verder een verhoogde vraag naar lithium-ionbatterijen, gevolgd door de vraag naar nikkel van 2020 tot 2050. Op deze manier voorspelden ze dat de cumulatieve vraag van 2020 tot 2050 zou variëren van 7,3 tot 18,3 miljoen ton (Mt) voor Li , 3,5–16,8 Mt voor Co, en 18,1–88,9 Mt voor Ni.

Xu et al. toonde vervolgens de materialen die in de loop van de tijd aanwezig waren in afgedankte batterijen en besprak hoe het terugwinnen ervan zou de productie van primair materiaal helpen verminderen. De bestaande commerciële recyclingmethoden voor EV-batterijen omvatten pyrometallurgische en hydrometallurgische verwerking. Pyrometallurgische recycling omvat het smelten van volledige batterijen of batterijcomponenten na voorbehandeling. Hydrometallurgische verwerking is gebaseerd op het uitlogen van zuur en de daaropvolgende terugwinning van batterijmaterialen via oplosmiddelextractie en neerslagmethoden. Bij recycling met een gesloten kringloop kan pyrometallurgische verwerking worden gevolgd door hydrometallurgische verwerking om een ​​legering om te zetten in metaalzouten. Directe recycling heeft tot doel kathodematerialen terug te winnen met behoud van hun chemische structuur voor economische en ecologische voordelen, maar deze methode bevindt zich nog in de beginfase van ontwikkeling.

Vooruitzichten voor elektrische voertuigen (EV’s)

Op deze manier hebben Chengjian Xu, Bernhard Steubing en collega’s modellen ontwikkeld om te laten zien hoe de batterijproductiecapaciteit voor lithium, nikkel en kobalt aanzienlijk zal moeten toenemen, aangezien de vraag naar elektrische voertuigen de huidige productiesnelheden zelfs vóór 2025 zou kunnen ontgroeien. De batterijmaterialen kunnen worden geleverd. zonder de bestaande productiecapaciteiten te overschrijden, hoewel het aanbod zal moeten toenemen tot voldoen aan eisen van andere sectoren. De geschetste leveringsrisico’s kunnen met de potentie veranderen ontdekking van nieuwe reserves. De vraag naar batterijcapaciteit zal afhangen van technische factoren zoals voertuigontwerp, gewicht en brandstofefficiëntie, evenals de omvang van het wagenpark en de keuzes van de consument in verhouding tot de grootte en het bereik van elektrische voertuigen.

De methode van directe recycling is het meest economische en milieuvriendelijke recyclingproces in een gesloten kringloop, aangezien het de terugwinning van kathodematerialen mogelijk maakt zonder smelt- en uitloogprocessen. Een succesvolle overgang naar elektrische voertuigen is afhankelijk van een aanhoudende materiaalaanvoer die de groei van de sector kan bijhouden. Wetenschappelijke duurzaamheidsbeoordelingen, waaronder levenscyclusevaluaties van chemische stoffen, zullen de selectie van alternatieve batterijchemie en grondstoffen begeleiden. De wereldwijde eisen die in dit werk worden geprojecteerd, bieden ook een platform om de wereldwijde economische, ecologische en sociale impact van elektrische voertuigen en hun batterijen te volgen.