Bæredygtig litiumudvinding – Revolutionerer forsyningskæder for elbiler

Drevet af globale afkarboniseringsindsatser forventes væksten i elbiler (EV’er) at fortsætte i et hurtigt tempo og udgøre mere end halvdelen af verdens samlede bilsalg om ti år. 

Denne udbredte elektrificering af transportsektoren, som udgør omkring 20 % af de globale CO₂‑emissioner på grund af sin tunge afhængighed af fossile brændstoffer, vil hjælpe med at reducere de samlede drivhusgasemissioner betydeligt.

Dog medfører den hurtige overgang til EV’er et stort problem — en alvorlig belastning af forsyningskæden for kritiske elementer, der bruges i EV‑batterier. 

Blandt EV‑batterier er lithium‑ion‑batterier de mest udbredte på grund af deres lave omkostninger og uovertrufne energitæthed, og de forventes at forblive den dominerende batterikemi. Det betyder, at lithium (Li) i særdeleshed vil fortsætte med at være en essentiel komponent.

Det bløde, sølvhvide alkalimetal, som er det letteste af alle faste grundstoffer og reagerer voldsomt med vand, anvendes i betydelige mængder i en enkelt EV‑batteripakke.

Så naturligvis forventes efterspørgslen efter lithium at vokse eksponentielt i løbet af det næste årti, så meget at den vil langt overstige, hvad der kan opnås gennem minedrift af lithium‑malme eller udvinding fra lithium‑rige brønde inden 2030.

Forsyningskædeproblemet med det kritiske batterielement

Efterspørgslen efter lithium‑ion‑batterier er forudsagt at overstige en terawatt‑time (TWh) i år, en dramatisk stigning fra 74 gigawatt‑timer (GWh) for et årti siden, ifølge Benchmark’s Lithium‑ion Battery Database.

Denne stigende efterspørgsel efter lithium‑ion‑batterier, som er central for væksten i bilindustrien og energiovergangen, får lande til at søge at udvikle deres egne indenlandske forsyningskæder.

Mens Kina dominerer industrien, intensiveres konkurrencen, idet USA sigter mod at opnå kontrol inden for EV‑ og batteriteknologi. Begge lande indfører handelsrestriktioner for at beskytte deres industrier og komme i toppen.

I januar i år foreslog Kina at begrænse udvinding og raffinering af lithium for at opnå større kontrol over den globale lithiumforsyningskæde. Kina, som også huser verdens førende lithium‑batteriproducenter, med CATL som den største markedsandel på 35 % efterfulgt af BYD, er blevet den næststørste indehaver globalt med 16,5 % af den samlede globale lithiumreserve, som tredobles.

Bolivia, Chile og Argentina er de øvrige mest fremtrædende indehavere af lithiumreserver, med nye lithiumproducenter som Saudi-Arabien, der investerer kraftigt i lithiumprojekter. 

USA er også blandt de førende lande med betydelige lithiumreserver. På trods af dette er deres produktion relativt lille — mindre end 2 % af verdens samlede produktion. Og næsten al denne lithium kommer fra Albemarles Silver Peak‑anlæg. Derfor søger “Unleashing American Energy”-ordren at forenkle tilladelser til minedrift og styrke indenlandske kapaciteter.

For et par måneder siden anklagede en højtstående amerikansk embedsmand kinesiske lithiumproducenter for at eliminere konkurrerende projekter ved at oversvømme det globale marked med det kritiske metal og forårsage et “prædatorisk” prisfald.

Lithiumpriserne er faldet mere end 80 % i det sidste år, hovedsageligt på grund af Kinas overproduktion. Ifølge Jose Fernandez, daværende Undersekretær for Økonomisk Vækst, Energi og Miljø:

“De engagerer sig i prædatorisk prissætning… (de) sænker prisen, indtil konkurrencen forsvinder. Det er, hvad der sker.”

Kina, bemærkede han yderligere, producerer langt mere lithium “end verden har brug for i dag, ved en klar margin.” Dette har resulteret i lave priser, som Fernandez sagde “begrænser vores evne til at diversificere vores forsyningskæder på en bred, global skala.”

Efterhånden som konkurrencen intensiveres, og prisvolatiliteten truer de globale forsyningskæder, er der et presserende behov for alternative udvindingsmetoder for at sikre en stabil og bæredygtig lithiumforsyning.

Adressere litium efterspørgsels‑ og udbudsgabet

En effektiv håndtering af litium‑forsyningsgabet kræver, at man bevæger sig fra konventionelle metoder til ukonventionelle vandige kilder. Dette inkluderer udvinding af lithium fra geotermiske brønde, industrielt spildevand, olie‑ og gas‑produceret vand samt grundvand.

Traditionelt involverer denne type udvinding forkoncentration via solfordampning, efterfulgt af en række kemisk baserede rensnings‑ og udfældningstrin. 

Som følge heraf er lithiumudvinding begrænset til regioner med tørre og vidstrakte landområder. Desuden indebærer det lange behandlingstider og har negative miljømæssige påvirkninger, og på trods af alt dette har det stadig lave lithium‑genvindingsrater.

Derfor er direkte lithiumudvinding (DLE)‑teknologier blevet i fokus, da de kan overvinde de tids‑ og arealkrævende begrænsninger. Disse teknologier kan også opnå høj‑ren lithium uden at kræve kemisk baserede efterbehandlingstrin.

Her er ionbytterharpikser og adsorbenter, især, stærkt undersøgt for lithiumudvinding, men disse teknikker kræver stadig delvis forkoncentration af lithium på grund af deres begrænsede lithium‑selektivitet og kræver store mængder ferskvand eller kemikalier til regeneration. 

Elektrokemisk lithiuminterkalation, i modsætning, viser imponerende lithium‑selektivitet, men disse tilgange lider under stærkt begrænsede elektrodelevetider og kræver periodisk regeneration.

Højt selektive membraner har dog potentialet til at overvinde disse begrænsninger ved at levere kontinuerlig og bæredygtig lithium‑genvinding. Denne metode muliggør præferentiel transport af lithium over konkurrerende ioner.

I forhold til denne teknik er forskning i membranmaterialer, der giver høj lithium‑selektivitet mod både almindelige konkurrerende divalente og monovalente ioner, fortsat afgørende.

For nylig opnåede forskere fra Elimelech‑laboratoriet ved Rice University et stort gennembrud, da de omdannede fast‑tilstand‑elektrolytter (SSE’er) til membranmaterialer for vandig lithiumudvinding. 

SSE’er er et kraftigt undersøgt emne i batterisamfundet, men ikke som membranmateriale for vandige ionseparationer. Udviklingen af SSE’er har været fokus i batterifeltet på grund af sikkerhedsbekymringer ved brandfarligheden af almindeligt anvendte flydende elektrolytter.

Fast‑tilstand‑elektrolytter (SSE’er) tilbyder faktisk lovende alternativer til traditionelle flydende elektrolytter i batterier, idet de giver øget sikkerhed og potentiale for højere energitæthed. SSE’er er faste materialer, der tillader transport af ioner som lithium‑ioner mellem elektroder i et batteri. 

Udover at tilbyde forbedret sikkerhed ved at være ikke‑brandfarlige, er SSE’er også mere holdbare, men de står over for udfordringer som lavere ionisk ledningsevne og grænsefladeinstabilitet. 

Når det gælder den potentielle anvendelse af SSE’er som membranmaterialer til selektiv udvinding af lithium‑ioner fra havvand, har nogle studier demonstreret deres mulige brug, men den grundlæggende evaluering og forståelse af transport i SSE’er er endnu ikke udforsket.

Således vurderer den seneste undersøgelse brugen af en Li‑ion‑ledende SSE som membran for vandig lithiumudvinding ved at undersøge de grundlæggende principper for ion‑ og vandtransport i SSE’en og evaluere dens ion‑ion‑selektivitet mod almindeligt konkurrerende katjoner i lithium‑brønde. 

Studiets resultater indikerer “næsten perfekt lithium‑selektivitet.” Det afslørede også et vigtigt forhold — selvom de er uigennemtrængelige, påvirker tilstedeværelsen af konkurrerende katjoner (positivt ladede ioner) stadig lithium‑ionflux negativt.

Klik her for at finde ud af, om Arkansas har svaret på det stigende behov for USA’s litiumforsyning.

Baner vejen for bæredygtige forsyningskæder for elbilbatterier

Udgivet i Science Advances¹ beskriver studiet udviklingen af en effektiv litiumudvindingsmetode — en højt selektiv fast‑tilstand‑elektrolyt‑membran, der revolutionerer litiumudvinding med næsten perfekt selektivitet, og dermed forbedrer bæredygtigheden i elbilbatteriers forsyningskæder.​

Forskningsholdet fandt, at den stærkt ordnede og begrænsede struktur af SSE’er, oprindeligt designet til hurtig ledning af lithium‑ioner i fast‑tilstand‑batterier, er i stand til at opnå hidtil uset adskillelse af både ioner og vand i vandige blandinger.

Dette markerer et potentielt gennembrud i bæredygtig ressourcegenvinding, som kan hjælpe med at reducere afhængigheden af traditionelle teknikker. Ifølge korresponderende forfatter Menachem Elimelech, Nancy og Clint Carlson, professor i civil‑ og miljøteknik:

“Udfordringen er ikke blot at øge litiumproduktionen, men at gøre det på en måde, der både er bæredygtig og økonomisk levedygtig.”

Den nye teknik, som forskerholdet har udviklet, bygger på en grundlæggende forskel mellem traditionelle nanopore‑membraner og SSE’er. 

Forskellen er, at konventionelle membraner er afhængige af hydratiserede nanoskopiske porer for at transportere ioner, mens SSE’er flytter Li‑ioner ved hjælp af en vandfri “hop‑mekanisme” inden i et højt ordnet krystallinsk gitter.

“Dette betyder, at lithium‑ioner kan migrere gennem membranen, mens andre konkurrerende ioner, og endda vand, effektivt blokeres. Den ekstreme selektivitet, som vores SSE‑baserede tilgang tilbyder, gør den til en yderst effektiv metode til litiumudvinding, da energi kun bruges på at flytte de ønskede lithium‑ioner gennem membranen.”

– Første forfatter Sohum Patel, i øjeblikket postdoc‑forsker ved Massachusetts Institute of Technology (MIT)

For at teste dette fænomen anvendte holdet et elektrodialyse‑setup, hvor elektricitet bruges til at drive Li‑ioner gennem membranen. 

Eksperimentresultatet viste, at selv når koncentrationen af konkurrerende ioner var høj, fortsatte SSE’en med at udvise næsten perfekt lithium‑selektivitet uden mærkbare konkurrerende ioner. Dette er noget, som traditionelle membranteknologier ikke har kunnet opnå.

For at besvare spørgsmålet om, hvorfor SSE’er udviser så exceptionel Li‑ion‑selektivitet, anvendte holdet en kombination af beregnings‑ og eksperimentelle teknikker, som pegede på det tæt pakkede, stive krystallinske gitter i SSE’en. Denne struktur forhindrer ikke kun vandmolekyler i at trænge gennem membranen, men også større ioner som natrium‑ og magnesium‑ioner.

“Gitteret fungerer som en molekylær sigte, der kun tillader lithium‑ioner at passere. Denne kombination af ekstrem præcis størrelse‑ og ladningsudvælgelse er, hvad der gør SSE‑membranen så unik.”

– Elimelec

Selvom konkurrerende ioner ikke passerede gennem SSE’en, bemærkede forskerne, at deres tilstedeværelse reducerede lithium‑flux, selvom den stadig var sammenlignelig med dem, der observeres i betydeligt mindre selektive membranmaterialer. Forskere mener, at denne udfordring, som skyldes blokeringen af de tilgængelige overflade‑sites for ionudveksling, kan tackles gennem yderligere materialteknisk udvikling.

Derudover kræves yderligere arbejde for at demonstrere SSE’ens effektivitet, når den anvendes på stadig mere komplekse og salte kildevand. 

Samlet set fremhæver studiet “den højt lovende anvendelse af SSE’er til litium‑genvinding.” 

Ifølge forskerne kan denne nyudviklede metode hjælpe med at sikre en stabil litiumforsyning for en bred vifte af industrier, herunder bilindustrien, elektronik og vedvarende energisektoren. 

SSE‑baserede membraner kan ikke kun hjælpe med at afhjælpe de kommende litiumknapheder, men også gøre det på en bæredygtig måde uden de negative miljøpåvirkninger, som traditionel minedrift medfører. Ifølge Patel:

“Ved at integrere SSE’er i elektrodialysesystemer kunne vi muliggøre direkte litiumudvinding fra en række vandige kilder, reducere behovet for store fordampningsbassiner og kemisk intensive rensningstrin. Dette kunne markant sænke den miljømæssige fodaftryk ved litiumproduktion, samtidig med at processen bliver mere effektiv.”

Metoden, som også kan reducere omkostningerne ved litiumproduktion, forventes at kunne se industriel adoption inden for 5‑8 år.​ Forskerne forventer, at SSE‑materialer vil være “i spidsen for DLE‑teknologier” fremover.

Ud over dette forudser studiet bredere anvendelser af SSE’er i ion‑selektive separationer ud over lithium.

Som Elimelech bemærkede, kan mekanismerne for ion‑selektivitet i fast‑tilstand‑elektrolytter (SSE’er) inspirere udviklingen af lignende membraner til udvinding af andre kritiske elementer fra vandkilder, hvilket åbner døren til “en ny klasse af membranmaterialer til ressourcegenvinding.”

Innovativ virksomhed

Albemarle Corporation

Hvis vi ser på en fremtrædende investerbar virksomhed inden for dette felt, skiller Albemarle Corporation (ALB ) sig ud som en global leder inden for litiumproduktion, som investerer i bæredygtige udvindings‑teknologier.

Virksomheden driver miner i Australien, Chile og USA. Dens litiumressourcer, som Albemarle siger er “blandt de største og højeste kvalitet i verden”, omfatter hårde sten‑depositioner og hypersalte brønde.

Albemarle står dog over for udfordringer, hvilket sidste sommer fik dem til at sætte driftsstop på et EV‑litium‑forarbejdningsanlæg på $1,3 mia i South Carolina, USA. På samme tid stoppede de udvidelsen af et produktionsanlæg i Australien, hvor de producerer batterigrad lithiumhydroxid til EV’er, på grund af svage litiumpriser. Nyheden kom kun omkring et år efter, at Albemarle delte deres plan om at fordoble produktionen, med en stor del af deres over $1 mia tab i Q3 2024 tilskrevet den mislykkede udvidelse af dette projekt.

Den prisnedgang i litiummarkedet fortsætter på grund af stærk produktion i Chile, toldsatser fra Trump‑administrationen og en afmatning i efterspørgslen efter post‑Kinesisk Nytårs‑ferie i Kina. Som følge heraf måtte Albemarle annullere ikke kun deres udvidelsesprojekter, men også reducere personale. 

Albemarle Corporation opererer primært gennem tre hoveddivisioner — Energy Storage, Specialties og Ketjen. 

Energy Storage‑divisionen fremstiller lithiumchlorid, lithiumhydroxid og lithiumcarbonat. Specialties‑segmentet optimerer højt specialiserede lithium‑ og bromidløsninger og betjener mobilitet, energi, konnektivitet og sundhedsindustrier. Ketjen fokuserer på performance catalyst solutions (PCS), clean fuels technologies (CFT) og fluidized catalytic cracking (FCC)‑katalysatorer og tilsætningsstoffer, som betjener luftfart, bilindustri, konventionel energi, netlagring og andre markeder.

Med en markedsværdi på $8,78 mia handles Albemarle‑aktier i øjeblikket til $74,82, ned 12,28 % år‑til‑dato. Virksomheden har en EPS (TTM) på -11,19 og en P/E (TTM) på -6,74, mens udbytteafkastet er 2,15 %. Den 27. februar erklærede virksomheden et kvartals‑almindeligt aktieudbytte på $0,405 pr. aktie, udbetalt den 1. april.

Med hensyn til deres finanser rapporterede Albemarle for Q4 2024 nettoomsætning på $1,2 mia, mens nettoresultatet var $75 mio eller $0,29 pr. udvandet aktie, og justeret udvandet tab pr. aktie var ($1,09).

Nettoomsætningen faldt 48 % fra samme kvartal året før, som virksomheden tilskrev lavere priser og volumener i Energy Storage. Nettoomsætningen for de forskellige divisioner var som følger — $617 mio i Energy Storage, $333 mio i Specialties og $282 mio i Ketjen.

I Q4 rapporterede Albemarle også rekordproduktion på Meishan‑ og La Negra‑litiumkonverteringsanlæggene. De planlægger dog at sætte deres anlæg i Chengdu, Kina, i vedligeholdelse midt på året.

For hele året rapporterede virksomheden nettoomsætning på $5,4 mia og et nettotab på $1,2 mia, mens cash flow fra driften var $702 mio. Pr. 31. december 2024 havde Albemarle ca. $2,8 mia i likviditet, inklusive $1,2 mia i kontanter og likvide midler. Deres samlede gæld var derimod $3,5 mia.

“Vi træffer afgørende tiltag for at reducere omkostninger, optimere vores konverteringsnetværk og øge effektiviteten for at bevare vores langsigtede konkurrencedygtige position. Når vi ser fremad, forventer vi, at de dynamiske markedsforhold fortsætter, men vi er sikre på vores evne til at levere værdi til interessenter ved at øge vores finansielle fleksibilitet, styrke vores kernekompetencer og positionere Albemarle for fremtidig vækst.”

– CEO Kent Masters

For 2025 forventer virksomheden, at deres kapitaludgifter vil ligge i intervallet $700 mio til $800 mio, 50 % mindre end 2024’s $1,7 mia. Denne udgift, bemærkede Albemarle, afspejler en prioritering af at vedligeholde eksisterende aktiver og ressourcer.

Seneste om Albemarle Corporation

Konklusion 

I dagens hyper‑mobile verden er elbiler fremkommet som en løsning på bæredygtighedsproblemet. EV’er tilbyder en måde at reducere CO₂‑emissioner og mindske vores afhængighed af fossile brændstoffer. Kernen i denne revolution er batteriteknologien, som hjælper EV’er med at forme fremtiden for transport.

En nøglekomponent i disse batterier er lithium, som er afgørende for at drive ikke kun EV’er, men også mange moderne enheder og energilagring. Givet lithiums betydning i den grønne energiovergang, kæmper verden for at sikre en stabil lithiumforsyning.

Konventionelle lithiumudvindingsmetoder, selvom de er effektive, er begrænset af miljømæssige bekymringer, ressource‑intensiv minedrift og lange behandlingstider. Her præsenterer gennembrud som brugen af fast‑tilstand‑elektrolyt‑membraner (SSE) en transformerende løsning, da muligheden for bæredygtig og effektiv litiumudvinding ikke kun kan afhjælpe kommende forsyningskædeproblemer, men også redefinere fremtiden for batteriproduktion.

Klik her for at lære, om efterspørgslen efter litium‑ion‑batterier vil falde med nye natrium‑ion‑batterier.