حصاد الليثيوم المستدام – إحداث ثورة في سلاسل إمداد المركبات الكهربائية

بدفع جهود خفض الانبعاثات العالمية، من المتوقع أن يستمر نمو المركبات الكهربائية (EVs) بوتيرة سريعة، لتشكل أكثر من نصف مبيعات السيارات العالمية خلال عشر سنوات.

سيساهم هذا التحول الكهربائي الواسع لقطاع النقل، الذي يمثل حوالي 20٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) العالمية بسبب اعتماده الكبير على الوقود الأحفوري، في تقليل كبير لانبعاثات الغازات الدفيئة (GHG) بشكل عام.

ومع ذلك، فإن هذا الانتقال السريع إلى المركبات الكهربائية يجلب مشكلة كبيرة — ضغط شديد على سلسلة إمداد العناصر الحيوية المستخدمة في بطاريات المركبات الكهربائية.

من بين بطاريات المركبات الكهربائية، تُعد بطاريات الليثيوم أيون الأكثر انتشارًا بسبب تكلفتها المنخفضة وكثافتها الطاقية الفريدة، ومن المتوقع أن تظل الكيمياء البطارية السائدة. وهذا يعني أن الليثيوم (Li) سيستمر في كونه مكونًا أساسيًا.

المعدن القلوي الناعم ذو اللون الفضي الأبيض، وهو الأخف بين جميع العناصر الصلبة ويتفاعل بقوة مع الماء، يُستخدم بكميات كبيرة في حزمة بطارية مركبة كهربائية واحدة.

لذلك، بطبيعة الحال، من المتوقع أن ينمو الطلب على الليثيوم بشكل أسي خلال العقد القادم، إلى درجة أنه سيتجاوز بكثير ما يمكن الحصول عليه من خلال تعدين خامات الليثيوم أو استخراجها من المستنقعات الغنية بالليثيوم بحلول عام 2030.

مشكلة سلسلة الإمداد للعنصر الحيوي في البطاريات

من المتوقع أن يتجاوز الطلب على بطاريات الليثيوم أيون تيراواط ساعة (TWh) هذا العام، وهو ارتفاع كبير مقارنة بـ 74 جيجاواط ساعة (GWh) قبل عقد من الزمن، وفقًا لقاعدة بيانات بطاريات الليثيوم أيون الخاصة بـ Benchmark.

هذا الطلب المتصاعد على بطاريات الليثيوم أيون، الذي يُعد محورًا أساسيًا لنمو صناعة السيارات والتحول الطاقوي، يدفع الدول إلى السعي لتطوير سلاسل إمداد محلية خاصة بها.

بينما تهيمن الصين على الصناعة، يتصاعد التنافس، حيث تسعى الولايات المتحدة للسيطرة على تقنيات المركبات الكهربائية والبطاريات. تفرض كلا البلدين قيودًا تجارية لحماية صناعاتهما والظهور في الصدارة.

في يناير من هذا العام، اقترحت الصين تقييد تقنيات استخراج وتكرير الليثيوم لتزيد من سيطرتها على سلسلة إمداد الليثيوم العالمية. وتُعد الصين، التي تستضيف أيضًا أكبر مصنعي بطاريات الليثيوم في العالم، حيث تشكل CATL الحصة السوقية الأكبر بنسبة 35٪، تليها BYD، ثاني أكبر مالك عالمي، حيث أصبحت ثاني أكبر مالك على مستوى العالم، حيث تمثل احتياطياتها من الليثيوم 16.5٪ من الإجمالي العالمي مع تضاعف احتياطياتها.

تُعد بوليفيا وتشيلي والأرجنتين من أبرز حاملي احتياطيات الليثيوم، كما انضم منتجون جدد مثل السعودية من خلال استثمارات ضخمة في مشاريع الليثيوم.

تُعد الولايات المتحدة أيضًا من بين الدول الرائدة باحتياطيات ليثيوم كبيرة. ومع ذلك، فإن إنتاجها صغير نسبيًا — أقل من 2٪ من إجمالي الإنتاج العالمي. وتأتي معظم هذه الكميات من منشأة سيلفر بيك التابعة لشركة Albemarle. لذا، يهدف أمر “إطلاق الطاقة الأمريكية” إلى تبسيط تصاريح التعدين وتعزيز القدرات المحلية.

قبل بضعة أشهر، اتهم مسؤول أمريكي كبير منتجي الليثيوم الصينيين بإلغاء المشاريع المنافسة عن طريق إغراق السوق العالمي بالمعادن الحيوية مما أدى إلى انخفاض الأسعار بشكل “افتراسي”.

انخفضت أسعار الليثيوم بأكثر من 80٪ خلال العام الماضي، ويرجع ذلك إلى الإنتاج الزائد في الصين. وفقًا لجوزيف فرناندز، وزير الدولة آنذاك للنمو الاقتصادي والطاقة والبيئة:

“إنهم يمارسون تسعيرًا افتراسيًا… (هم) يخفضون السعر حتى تختفي المنافسة. هذا ما يحدث.”

وأشار إلى أن الصين كانت تنتج كمية أكبر بكثير من الليثيوم “مما يحتاجه العالم اليوم، بفارق كبير.” وقد أدى ذلك إلى انخفاض الأسعار، وهو ما قال فرناندز إنه “يحد من قدرتنا على تنويع سلاسل إمدادنا على نطاق عالمي واسع.”

مع تصاعد المنافسة وتقلب الأسعار الذي يهدد سلاسل الإمداد العالمية، هناك دفع عاجل نحو أساليب استخراج بديلة لضمان إمداد ليثيوم مستقر ومستدام.

معالجة فجوة الطلب والعرض على الليثيوم

يتطلب معالجة فجوة إمداد الليثيوم بفعالية الانتقال من الوسائل التقليدية إلى المصادر المائية غير التقليدية. ويشمل ذلك استخراج الليثيوم من المستنقعات الحرارية الجوفية، ومياه الصرف الصناعي، ومياه الإنتاج من النفط والغاز، ومياه الجوف.

تقليديًا، يتضمن هذا النوع من الاستخراج تركيزًا مسبقًا عبر التبخر الشمسي، يليه سلسلة من خطوات التنقية والترسيب القائمة على الكيمياء.

وبالتالي، يقتصر استخراج الليثيوم على المناطق الجافة والواسعة. كما أن ذلك يتطلب أوقات معالجة طويلة وله تأثيرات بيئية سلبية، وعلى الرغم من كل ذلك، لا يزال معدل استرداد الليثيوم منخفضًا.

لهذا السبب أصبحت تقنيات الاستخراج المباشر للليثيوم (DLE) محور التركيز، حيث يمكنها التغلب على قيود الوقت والمساحة. كما يمكن لهذه التقنيات الحصول على ليثيوم عالي النقاء دون الحاجة إلى خطوات معالجة كيميائية لاحقة.

هنا، تُجرى أبحاث مكثفة على راتنجات وتبادلات الأيونات والمواد الماصة لاستخراج الليثيوم، لكن هذه الأساليب لا تزال تحتاج إلى تركيز جزئي للليثيوم بسبب محدودية انتقائيتها وتستلزم كميات كبيرة من المياه العذبة أو المواد الكيميائية لإعادة التجديد.

في المقابل، تُظهر التداخل الكهروكيميائي لليثيوم انتقائية ليثيوم ملحوظة، لكن هذه الأساليب تعاني من عمر قصير جدًا للأقطاب وتتطلب تجديدًا دوريًا.

مع ذلك، تمتلك الأغشية ذات الانتقائية العالية القدرة على تجاوز هذه القيود من خلال توفير استرداد ليثيوم مستمر ومستدام. تُسهل هذه الطريقة نقل الليثيوم بشكل تفضيلي على أيونات المنافسة.

فيما يتعلق بهذه التقنية، لا يزال التحقيق في مواد الأغشية التي توفر انتقائية ليثيوم عالية ضد كل من الأيونات الثنائية والوحيدة الشحنة الشائعة أمرًا حيويًا.

مؤخرًا، حقق باحثون من مختبر إليمليش في جامعة رايس اختراقًا كبيرًا عندما أعادوا توظيف الإلكتروليتات الصلبة (SSEs) كمواد أغشية لاستخراج الليثيوم من المياه.

تُعد SSEs موضوعًا يُدرس بعمق في مجتمع البطاريات، لكن ليس كمواد أغشية لفصل الأيونات المائية. وقد كان تطوير SSEs محور التركيز في مجال البطاريات بسبب مخاوف السلامة الناجمة عن قابلية احتراق الإلكتروليتات السائلة الشائعة.

توفر الإلكتروليتات الصلبة (SSEs) بدائل واعدة للإلكتروليتات السائلة التقليدية في البطاريات، حيث تعزز السلامة وتتيح إمكانية كثافة طاقة أعلى. تُعد SSEs مواد صلبة تسمح بنقل الأيونات مثل أيونات الليثيوم بين الأقطاب في البطارية.

إلى جانب تحسين السلامة بفضل عدم قابليتها للاشتعال، تتميز SSEs بمتانة أكبر ولكنها تواجه تحديات مثل انخفاض التوصيل الأيوني وعدم استقرار الواجهة.

فيما يتعلق بالتطبيق المحتمل لـ SSEs كمواد أغشية لاستخراج أيونات الليثيوم بشكل انتقائي من مياه البحر، أظهرت بعض الدراسات إمكانية استخدامها، لكن التقييم الأساسي وفهم النقل داخل SSEs لم يُستكشف بعد.

لذلك، تقيم الدراسة الأخيرة استخدام SSE موصل لأيونات الليثيوم كغشاء لاستخراج الليثيوم من المياه من خلال دراسة أساسيات نقل الأيونات والماء داخل SSE وتقييم انتقائيته للأيونات مقابل الكاتيونات المتنافسة الشائعة في مستنقعات الليثيوم.

تشير نتائج الدراسة إلى “انتقائية ليثيوم شبه مثالية”. كما كشفت عن علاقة مهمة — رغم عدم اختراقها، فإن وجود الكاتيونات المتنافسة (أيون موجب) لا يزال يؤثر سلبًا على تدفق أيونات الليثيوم.

انقر هنا لمعرفة ما إذا كانت أركنساس تحمل الجواب على الحاجة المتزايدة لإمداد الليثيوم في الولايات المتحدة.

تمهيد الطريق لسلاسل إمداد بطاريات المركبات الكهربائية المستدامة

نُشرت الدراسة في مجلة Science Advances، وتفصل طريقة استخراج الليثيوم الفعّالة — غشاء إلكتروليت صلب عالي الانتقائية يُحدث ثورة في حصاد الليثيوم بانتقائية شبه مثالية، مما يعزز الاستدامة في سلاسل إمداد بطاريات المركبات الكهربائية.​

وجد فريق البحث أن البنية المرتبة والمقيدة للغاية للإلكتروليتات الصلبة، التي صُممت أصلاً لتوصيل أيونات الليثيوم بسرعة في البطاريات الصلبة، قادرة على تحقيق فصل غير مسبوق لكل من الأيونات والماء في الخلطات المائية.

يمثل هذا إنجازًا محتملًا في استعادة الموارد المستدامة يمكن أن يساعد في تقليل الاعتماد على التقنيات التقليدية. وفقًا للمؤلف المشارك منى شيم إليمليش، نانسي وكلينت كارلسون، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية:

“التحدي لا يقتصر فقط على زيادة إنتاج الليثيوم بل على القيام بذلك بطريقة مستدامة ومجدية اقتصاديًا.”

تعتمد التقنية الجديدة التي طورها فريق البحث على اختلاف أساسي بين الأغشية النانوية التقليدية والإلكتروليتات الصلبة. 

الفرق يكمن في اعتماد الأغشية التقليدية على مسام نانوية مائية لنقل الأيونات، بينما تنقل SSEs أيونات الليثيوم عبر آلية قفز خالية من الماء داخل شبكة بلورية مرتبة للغاية.

“هذا يعني أن أيونات الليثيوم يمكنها الانتقال عبر الغشاء بينما تُحجب الأيونات المتنافسة الأخرى، وحتى الماء، بفعالية. تجعل الانتقائية القصوى التي توفرها نهجنا القائم على SSE هذه الطريقة فعّالة للغاية في حصاد الليثيوم حيث تُستهلك الطاقة فقط لنقل أيونات الليثيوم المطلوبة عبر الغشاء.”

– المؤلف الأول سهام باتيل، حاليًا باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)

لاختبار هذه الظاهرة، استخدم الفريق إعدادًا للغزل الكهربي، حيث تُستخدم الكهرباء لدفع أيونات الليثيوم عبر الغشاء. 

أظهر نتيجة التجربة أنه حتى عندما كان تركيز الأيونات المتنافسة مرتفعًا، استمرت SSE في إظهار انتقائية ليثيوم شبه مثالية دون أي أيونات متنافسة ملحوظة. وهذا ما لم تستطع تقنيات الأغشية التقليدية تحقيقه.

الآن، للإجابة على سؤال لماذا تُظهر SSEs هذه الانتقائية الاستثنائية لأيونات الليثيوم، استخدم الفريق مزيجًا من التقنيات الحاسوبية والتجريبية للتحقق، مما أشار إلى الشبكة البلورية المتماسكة والصلبة للإلكتروليت الصلب. تمنع هذه البنية ليس فقط جزيئات الماء من اختراق الغشاء بل أيضًا الأيونات الأكبر مثل الصوديوم والمغنيسيوم.

“تعمل الشبكة كمنخل جزيئي، يسمح بمرور أيونات الليثيوم فقط. إن هذا الجمع بين الدقة العالية في الحجم والاستبعاد الشاحني هو ما يجعل غشاء SSE فريدًا للغاية.”

– إليمليك

بينما لم تمر الأيونات المتنافسة عبر SSE، لاحظ الباحثون أن وجودها قلل من تدفق الليثيوم، رغم أنه ظل مقارنًا بما يُلاحظ في مواد أغشية أقل انتقائية بشكل كبير. يعتقد الباحثون أن هذه المشكلة، الناجمة عن حجب المواقع السطحية المتاحة لتبادل الأيونات، يمكن معالجتها من خلال مزيد من هندسة المواد.

علاوة على ذلك، يلزم إجراء مزيد من العمل لإظهار فعالية SSE عند تطبيقه على مصادر مياه أكثر تعقيدًا وملوحة.

بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على “التطبيق الواعد للغاية للإلكتروليتات الصلبة في استرداد الليثيوم.”

وفقًا للباحثين، يمكن لهذه الطريقة المطورة حديثًا أن تساعد في تأمين إمداد ليثيوم مستقر لمجموعة واسعة من الصناعات، بما في ذلك قطاع السيارات والإلكترونيات والطاقة المتجددة.

ليس فقط أن الأغشية القائمة على SSE يمكنها المساعدة في معالجة نقص الليثيوم المتوقع، بل يمكنها أيضًا القيام بذلك بشكل مستدام ودون التأثير السلبي على البيئة كما هو الحال في التعدين التقليدي. وفقًا لباتيل:

“من خلال دمج SSEs في أنظمة الغزل الكهربي، يمكننا تمكين استخراج الليثيوم مباشرةً من مجموعة من المصادر المائية، مما يقلل الحاجة إلى برك التبخر الكبيرة وخطوات التنقية الكيميائية المكثفة. يمكن أن يقلل ذلك بشكل كبير من البصمة البيئية لإنتاج الليثيوم مع جعل العملية أكثر كفاءة.”

من المتوقع أن تُعتمد هذه الطريقة التي يمكنها أيضًا خفض تكاليف إنتاج الليثيوم صناعيًا خلال 5-8 سنوات. ويتوقع الباحثون أن تكون مواد SSE “في طليعة تقنيات DLE” في المستقبل.

بالإضافة إلى ذلك، تتوقع الدراسة تطبيقات أوسع لـ SSEs في عمليات الفصل الانتقائي للأيونات خارج نطاق الليثيوم.

كما أشار إليمليش، يمكن لآليات انتقائية الأيونات في الإلكتروليتات الصلبة (SSEs) أن تلهم تطوير أغشية مماثلة لاستخراج عناصر حيوية أخرى من مصادر المياه، مما يفتح الباب أمام “فئة جديدة من مواد الأغشية لاستعادة الموارد.”

شركة مبتكرة

Albemarle Corporation

الآن، إذا نظرنا إلى شركة استثمارية بارزة في هذا المجال، تبرز شركة Albemarle Corporation (ALB ) كقائدة عالمية في إنتاج الليثيوم، وتستثمر في تقنيات استخراج مستدامة.

تدير الشركة مناجم في أستراليا وتشيلي والولايات المتحدة. وتقول Albemarle إن مواردها من الليثيوم “من بين الأكبر والأعلى جودة في العالم”، وتشمل رواسب الصخور الصلبة والمستنقعات الفائقة الملوحة.

مع ذلك، تواجه Albemarle تحديات دفعتها في صيف العام الماضي إلى إيقاف مصنع معالجة ليثيوم للمركبات الكهربائية بقيمة 1.3 مليار دولار في ساوث كارولينا، الولايات المتحدة. وفي نفس الفترة، أوقفت توسيع مصنع تصنيع في أستراليا، حيث تنتج هيدروكسيد الليثيوم من الدرجة البطارية للمركبات الكهربائية، بسبب ضعف أسعار الليثيوم. وجاء الخبر بعد حوالي عام واحد من مشاركة Albemarle خطتها لمضاعفة الإنتاج، مع تحميل جزء كبير من خسارتها التي تجاوزت 1 مليار دولار في الربع الثالث من عام 2024 إلى الفشل في توسيع هذا المشروع.

يستمر انخفاض الأسعار في سوق الليثيوم بسبب الإنتاج القوي في تشيلي، والرسوم الجمركية التي فرضتها إدارة ترامب، وتباطؤ الطلب بعد عطلات رأس السنة القمرية في الصين. نتيجة لذلك، اضطرت Albemarle إلى إلغاء ليس فقط مشاريع التوسعة بل أيضًا تقليل عدد الموظفين.

تعمل شركة Albemarle Corporation الآن أساسًا من خلال ثلاث divisions رئيسية — تخزين الطاقة، والمنتجات المتخصصة، وKetjen.

تصنع division تخزين الطاقة كلوريد الليثيوم، هيدروكسيد الليثيوم، وكربونات الليثيوم. يركز قطاع المنتجات المتخصصة على حلول الليثيوم والبروم المتخصصة للغاية ويخدم صناعات التنقل والطاقة والاتصالات والصحة. يركز Ketjen على حلول محفزات الأداء (PCS)، وتكنولوجيات الوقود النظيف (CFT)، ومحفزات وتضافات التشقق التحفيزي السائل (FCC) التي تخدم الفضاء الجوي، والسيارات، والطاقة التقليدية، وتخزين الشبكة، وأسواق أخرى.

بقيمة سوقية تبلغ 8.78 مليار دولار، يتداول سهم Albemarle حاليًا عند 74.82 دولار، بانخفاض قدره 12.28٪ منذ بداية العام. تمتلك الشركة ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة -11.19 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) بقيمة -6.74، بينما عائد الأرباح المدفوع هو 2.15٪. في 27 فبراير، أعلنت الشركة عن توزيع أرباح أسهم عادية ربع سنوية بقيمة 0.405 دولار للسهم، تدفع في 1 أبريل.

فيما يتعلق بأداءها المالي، أبلغت Albemarle عن صافي مبيعات قدره 1.2 مليار دولار للربع الرابع من عام 2024، بينما كان صافي الدخل 75 مليون دولار أو 0.29 دولار للسهم المخفف، وكان الخسارة المخففة المعدلة للسهم (1.09 دولار).

شهد صافي المبيعات انخفاضًا بنسبة 48٪ مقارنة بالربع السابق من العام السابق البالغ 2.4 مليار دولار، وهو ما نسبته الشركة إلى انخفاض الأسعار والحجم في قطاع تخزين الطاقة. وكانت مبيعات الصناديق المختلفة كما يلي — 617 مليون دولار في تخزين الطاقة، 333 مليون دولار في المنتجات المتخصصة، و282 مليون دولار في Ketjen.

خلال الربع الرابع، أفادت Albemarle أيضًا بتحقيق إنتاج قياسي في محطتي تحويل الليثيوم ميشان ولا نيغرا. ومع ذلك، تخطط لإجراء صيانة لموقعها في تشنغدو، الصين، بحلول منتصف هذا العام.

على مدار العام الكامل، أبلغت الشركة عن صافي مبيعات قدره 5.4 مليار دولار وخسارة صافية قدرها 1.2 مليار دولار، بينما كان النقد من العمليات 702 مليون دولار. حتى 31 ديسمبر 2024، كان لدى Albemarle حوالي 2.8 مليار دولار من السيولة، بما في ذلك 1.2 مليار دولار من النقد وما يعادله. وكان إجمالي ديونها 3.5 مليار دولار.

“نحن نتخذ إجراءات حاسمة لتقليل التكاليف، وتحسين شبكة التحويل لدينا، وزيادة الكفاءة للحفاظ على موقعنا التنافسي على المدى الطويل. بينما نتطلع إلى المستقبل، نتوقع استمرار ظروف السوق الديناميكية لكننا نثق بقدرتنا على تقديم قيمة لأصحاب المصلحة من خلال زيادة مرونتنا المالية، وتعزيز قدراتنا الأساسية، وتوجيه Albemarle للنمو المستقبلي.”

– الرئيس التنفيذي كينت ماسترز

بالنسبة لعام 2025، تتوقع الشركة أن تكون نفقاتها الرأسمالية في نطاق 700 إلى 800 مليون دولار، أي أقل بنسبة 50٪ من 1.7 مليار دولار في عام 2024. وأشار Albemarle إلى أن هذه الإنفاقات تعكس أولوية الحفاظ على الأصول والموارد القائمة.

آخر الأخبار عن شركة Albemarle Corporation

الخلاصة 

في عالم اليوم المتنقل بسرعة فائقة، ظهرت المركبات الكهربائية كحل لمشكلة الاستدامة. توفر المركبات الكهربائية وسيلة لتقليل انبعاثات الكربون وخفض اعتمادنا على الوقود الأحفوري. في صميم هذه الثورة تكمن تقنية البطاريات، التي تساعد المركبات الكهربائية على إعادة تشكيل مستقبل النقل.

مكون أساسي في هذه البطاريات هو الليثيوم، الذي يلعب دورًا حيويًا في تشغيل ليس فقط المركبات الكهربائية بل أيضًا العديد من الأجهزة الحديثة وتخزين الطاقة. نظرًا لأهمية الليثيوم في الانتقال إلى الطاقة النظيفة، تتسابق الدول لتأمين إمداد ليثيوم مستقر.

تُعد طرق استخراج الليثيوم التقليدية، رغم فعاليتها، محدودة بسبب المخاوف البيئية، والتعدين المستهلك للموارد، وطول أوقات المعالجة. هنا، تُظهر الاختراقات مثل استخدام أغشية الإلكتروليت الصلب (SSE) حلاً تحوليًا، حيث إن تمكين حصاد الليثيوم المستدام والفعّال يمكن أن يخفف من مشاكل سلاسل الإمداد المتوقعة ويعيد تعريف مستقبل إنتاج البطاريات.

انقر هنا لمعرفة ما إذا كان الطلب على بطاريات الليثيوم أيون سينخفض مع بطاريات الصوديوم أيون الجديدة.