Kestävä litiumin keräys – Vallankumouksellinen EV-toimitusketjujen uudistaminen

Maailmanlaajuisten hiilidioksidipäästöjen vähentämistoimien ohjaamana sähköajoneuvojen kasvu (EV) ennustetaan jatkuvan nopealla tahdilla, ja niiden osuus maailmanlaajuisista ajoneuvomyynneistä on yli puoli kymmenen vuoden kuluttua.

Tämä laajalle levinnyt liikenteen sähköistys, joka vastaa noin 20 % maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä (CO2) fossiilisiin polttoaineisiin voimakkaan riippuvuuden vuoksi, auttaa merkittävästi vähentämään kokonaiskasvihuonekaasupäästöjä (GHG).

Kuitenkin tämä nopea siirtyminen sähköajoneuvoihin tuo mukanaan merkittävän ongelman – vakavan rasituksen EV-akkujen kriittisten elementtien toimitusketjulle.

EV-akkujen joukossa litiumioniakut ovat yleisimmin käytettyjä niiden alhaisen kustannuksen ja vertaansa vailla olevan energiatehokkuuden vuoksi, ja niiden odotetaan pysyvän hallitsevana akkutyypinä. Tämä tarkoittaa, että litium (Li) on erityisesti edelleen olennainen komponentti.

Pehmeä, hopeanhohtoinen alkalimetalli, joka on kevyin kaikista kiinteistä alkuaineista ja reagoi voimakkaasti veden kanssa, käytetään merkittävin määrin yhdessä sähköajoneuvon akkupaketissa.

Niinpä on luonnollista, että litiumin kysyntä odotetaan kasvavan eksponentiaalisesti seuraavan vuosikymmenen aikana, niin paljon, että se ylittää selvästi sen, mitä voidaan saada litiumimin louhinnasta tai litiumrikkaista suoloista vuoteen 2030 mennessä.

Toimitusketjuongelma kriittisen akku-elementin kanssa

Litiumioniakkujen kysyntäennusteiden mukaan ylittää tänä vuonna yhden terawattitunnin (TWh), mikä on dramaattinen nousu 74 gigawattitunnista (GWh) vuosikymmen sitten, Benchmarkin Litiumioniakkujen tietokannan mukaan.

Tämä litiumioniakkujen räjähdysmäinen kysyntä, joka on keskeinen autoalan ja energiasiirtymän kasvulle, saa maat pyrkimään kehittämään omia kotimaisia toimitusketjujaan.

Vaikka Kiina hallitsee alaa, kilpailu kiristyy, ja Yhdysvallat pyrkii saamaan hallinnan EV- ja akkuteknologiassa. Molemmat maat asettavat kaupparajoituksia suojellakseen teollisuuttaan ja noustakseen kärkeen.

Tänä tammikuussa Kiina ehdotti litiumin louhinta- ja jalostusteknologioiden rajoittamista saadakseen enemmän hallintaa maailmanlaajuisesta litiumin toimitusketjusta. Kiina, jossa sijaitsevat myös maailman johtavat litiumakkuvalmistajat, CATL:n 35 % markkinaosuudella suurin, BYD:n jälkeen, on noussut toiseksi suurimmaksi omistajaksi maailmanlaajuisesti, 16,5 %:n osuudella, kun sen litiumivarannot kolminkertaistuvat.

Bolivia, Chile ja Argentiina ovat muut merkittävät litiumvarantojen haltijat, ja uudet litiumtuottajat kuten Saudi-Arabia liittyvät mukaan investoimalla voimakkaasti litiumhankkeisiin.

Yhdysvallat on myös merkittävien litiumvarantojen joukossa. Kuitenkin tuotanto on suhteellisen vähäistä – alle 2 % maailman kokonaismäärästä. Lähes kaikki tämä litium tulee Albemarle-yhtiön Silver Peak -laitoksesta. Siksi “Unleashing American Energy” -määräys pyrkii yksinkertaistamaan louhintalupia ja vahvistamaan kotimaisia kykyjä.

Muutama kuukausi sitten Yhdysvaltain korkea virkamies syytti kiinalaisia litiumtuottajia kilpailevien projektien poistamisesta tulvimalla maailmanmarkkinat kriittisellä metallilla ja aiheuttamalla “saalistavan” hintalaskun.

Litiumin hinnat ovat laskeneet yli 80 % viime vuoden aikana, pääosin Kiinan ylituotannon vuoksi. Jose Fernandezin, tuolloin Talouskasvun, Energian ja Ympäristön alainen valtiovarainministeri, mukaan:

“He harjoittavat saalistavaa hinnoittelua… (he) laskevat hintaa, kunnes kilpailu katoaa. Tämä on se, mitä tapahtuu.”

Kiina, hän lisäsi, tuotti paljon enemmän litiumia “kuin maailma tänään tarvitsee, selvästi.” Tämä on johtanut alhaisiin hintoihin, joiden Fernandez sanoi “rajoittavan kykyämme monipuolistaa toimitusketjujamme laajassa, globaalissa mittakaavassa.”

Kun kilpailu kiristyy ja hintavaihtelu uhkaa globaaleja toimitusketjuja, on kiireellinen tarve vaihtoehtoisille louhintamenetelmille vakaamman ja kestävän litiumin toimituksen varmistamiseksi.

Litiumin kysyntä‑tarjontakuilun ratkaiseminen

Litiumin toimituskuilun tehokas ratkaiseminen edellyttää siirtymistä perinteisistä menetelmistä epätavallisiin vesipohjaisiin lähteisiin. Tämä sisältää litiumin louhinnan geotermisistä suoloista, teollisista jätevesistä, öljy‑ ja kaasuntuotannosta syntyneestä vedestä sekä pohjavesistä.

Perinteisesti tämäntyyppinen louhinta sisältää esikoncentraation aurinkihöyrystämisen avulla, jonka jälkeen seuraa sarja kemiallisia puhdistus- ja saostusvaiheita.

Tämän seurauksena litiumin louhinta rajoittuu kuiviin ja laajoihin maihin. Lisäksi se vaatii pitkiä käsittelyaikoja ja aiheuttaa haitallisia ympäristövaikutuksia, ja kaikesta huolimatta sen litiumin talteenottoaste on edelleen alhainen.

Siksi suoran litiumin louhinnan (DLE) -teknologiat ovat nousseet keskeisiksi, sillä ne voivat ylittää aika‑ ja maankäyttörajoitteet. Nämä teknologiat voivat myös tuottaa korkealaatuista litiumia ilman kemiallisia jälkikäsittelyvaiheita.

Tässä ioninvaihtohartsit ja adsorbentit, erityisesti, ovat voimakkaasti tutkittuja litiumin louhinnassa, mutta nämä menetelmät tarvitsevat edelleen osittaista litiumin esikoncentraatiota niiden rajallisen litiumivalikoiman vuoksi ja vaativat suuria määriä makeaa vettä tai kemikaaleja regenerointiin.

Elektrokemiallinen litiumin interkalointi sen sijaan osoittaa vaikuttavaa litiumivalikoimaa, mutta nämä lähestymistavat kärsivät voimakkaasti rajoitetuista elektrodin käyttöiäistä ja vaativat säännöllistä regenerointia.

Korkean valikoiman kalvot kuitenkin voivat ylittää nämä rajoitteet tarjoamalla jatkuvaa ja kestävää litiumin talteenottoa. Tämä menetelmä mahdollistaa litiumin etuoikeutetun kuljetuksen kilpaileviin ioneihin nähden.

Tämän tekniikan osalta kalvomateriaalien tutkimus, jotka tarjoavat korkean litiumivalikoiman sekä yleisesti kilpailevia divalentteja että monivalentteja ioneja vastaan, on edelleen ratkaisevaa.

Viime aikoina Rice-yliopiston Elimelech‑laboratorion tutkijat saavuttivat merkittävän läpimurron, kun he uudelleenkäyttivät kiinteän tilan elektrolyyttejä (SSE) kalvomateriaaleina vesipohjaiseen litiumin louhintaan.

SSE:t ovat laajasti tutkittu aihe akkuyhteisössä, mutta eivät kalvomateriaalina vesipohjaiseen ionierotteluun. SSE:iden kehitys on ollut akkututkimuksen keskiössä turvallisuusongelmien vuoksi, jotka johtuvat yleisesti käytettyjen nestemäisten elektrolyyttien syttyvyydestä.

Kiinteän tilan elektrolyytit (SSE:t) tarjoavat itse asiassa lupaavia vaihtoehtoja perinteisille nestemäisille elektrolyyteille akuissa, parantaen turvallisuutta ja mahdollisesti mahdollistamalla suuremman energiatehokkuuden. SSE:t ovat kiinteitä materiaaleja, jotka mahdollistavat ionien, kuten litiumionien, kuljetuksen elektrodien välillä akussa.

Turvallisuuden parantamisen lisäksi, koska ne eivät ole syttyviä, SSE:t ovat myös kestävämpiä, mutta kohtaavat haasteita, kuten alhaisempi ionikulku ja rajapintavakauden puute.

Mitä tulee SSE:iden mahdolliseen sovellukseen kalvomateriaaleina litiumionien valikoivaan erottamiseen merivedestä, muutama tutkimus on osoittanut niiden mahdollisen käytön, mutta perusarviointia ja ymmärrystä kuljetuksesta SSE:issä ei ole vielä tutkittu.

Näin ollen uusin tutkimus arvioi litiumioni‑johtavan SSE:n käyttöä kalvona vesipohjaiseen litiumin louhintaan tutkimalla ionien ja veden kuljetuksen perusteita SSE:ssä sekä arvioimalla sen ion‑ion‑valikoimaa yleisesti kilpailevia katioonien suhteen litiumisuoloissa.

Tutkimustulokset osoittavat “lähes täydellistä litiumivalikoimaa”. Ne myös paljastivat tärkeän suhteen – vaikka kilpailevat katioonit (positiivisesti varautunut ion) eivät pääse läpäisemään kalvoa, niiden läsnäolo vaikuttaa haitallisesti litiumionien virtaan.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, onko Arkansas ratkaisu Yhdysvaltojen kasvavaan litiumin tarpeeseen.

Kestävien EV-akkujen toimitusketjujen raivaaminen

Julkaistu Science Advances¹, tutkimuksessa kuvataan tehokkaan litiumin louhintamenetelmän kehitys – erittäin valikoiva kiinteän tilan elektrolyyttikalvo, joka mullistaa litiumin keräyksen lähes täydellisellä valikoimalla, parantaen näin kestävyyttä EV-akkujen toimitusketjuissa.

Tutkimusryhmä havaitsi, että SSE:iden erittäin järjestäytynyt ja rajoitettu rakenne, alun perin suunniteltu litiumionien nopeaa johtumista varten kiinteän tilan akkuissa, kykenee saavuttamaan ennennäkemättömän ionien ja veden erottelun vesiseoksissa.

Tämä merkitsee potentiaalista läpimurtoa kestävässä resurssien talteenotossa, joka voi auttaa vähentämään riippuvuutta perinteisistä tekniikoista. Vastaavan tekijän Menachem Elimelechin, Nancy ja Clint Carlsonin, siviili- ja ympäristötekniikan professorin mukaan:

“Haaste ei ole pelkästään litiumin tuotannon lisäämisessä, vaan sen tekemisessä kestävällä ja taloudellisesti kannattavalla tavalla.”

Tutkimusryhmän kehittämä uusi tekniikka perustuu perustavanlaatuiseen eroon perinteisten nanoporosisten kalvojen ja SSE:iden välillä.

Ero on siinä, että perinteiset kalvot luottavat hydratoituihin nanoskaalaporiin ionien kuljettamisessa, kun taas SSE:t siirtävät litiumioneja anhydrauksisella hyppimismekaniikalla erittäin järjestäytyneessä kiteisessä verkossa.

“Tämä tarkoittaa, että litiumionit voivat kulkea kalvon läpi, kun taas muut kilpailevat ionit ja jopa vesi estetään tehokkaasti. Äärimmäinen valikoima, jonka SSE-pohjainen lähestymistapamme tarjoaa, tekee siitä erittäin tehokkaan menetelmän litiumin keräykseen, koska energiaa kuluu vain haluttujen litiumionien siirtämiseen kalvon läpi.”

– Ensimmäinen tekijä Sohum Patel, tällä hetkellä postdoc-tutkija Massachusetts Institute of Technology (MIT) -ssa

Testatakseen tätä ilmiötä tiimi käytti elektrodialyysijärjestelmää, jossa sähköä käytetään Li-ionien siirtämiseen kalvon läpi.

Kokeen tulos osoitti, että vaikka kilpailevien ionien pitoisuus oli korkea, SSE jatkoi lähes täydellisen litiumivalikoiman osoittamista ilman havaittavia kilpailevia ioneja. Tämä on jotain, mitä perinteiset kalvoteknologiat eivät ole pystyneet saavuttamaan.

Nyt, vastatakseen kysymykseen, miksi SSE:t osoittavat poikkeuksellista Li-ion‑valikoimaa, tiimi käytti yhdistelmää laskennallisista ja kokeellisista tekniikoista tutkiakseen, mikä viittasi tiiviisti pakattuun, jäykkään kiteiseen verkkoon SSE:ssä. Tämä rakenne estää paitsi vesimolekyylien läpäisemisen kalvoa, myös suurempien, kuten natrium- ja magnesiumioniiden.

“Verkko toimii molekyylisirukkana, sallien vain litiumionien kulkea läpi. Tämä yhdistelmä erittäin tarkkaa koon ja varauksen poissulkemista tekee SSE‑kalvosta niin ainutlaatuisen.”

– Elimelech

Vaikka kilpailevat ionit eivät kulkeutuneet SSE:n läpi, tutkijat havaitsivat, että niiden läsnäolo vähensi litiumin virtausta, vaikka se oli silti verrattavissa merkittävästi vähemmän valikoivien kalvomateriaalien havaintoihin. Tutkijat uskovat, että tämä haaste, joka johtuu ioninvaihdon käytettävissä olevien pintapaikkojen tukkeutumisesta, voidaan ratkaista jatkokehittämällä materiaalia.

Lisäksi tarvitaan lisätutkimuksia, jotta voidaan osoittaa SSE:n tehokkuus yhä monimutkaisemmissa ja suolaisemmissa lähdevesissä.

Kaiken kaikkiaan tutkimus korostaa “SSE:iden erittäin lupaavaa sovellusta litiumin talteenottoon.”

Tutkijoiden mukaan tämä äskettäin kehitetty menetelmä voi auttaa varmistamaan vakaan litiumin toimituksen laajalle teollisuuden alalle, mukaan lukien auto-, elektroniikka- ja uusiutuvan energian sektorit.

SSE-pohjaiset kalvot eivät ainoastaan auta ratkaisemaan tulevia litiumin puutteita, vaan ne voivat tehdä sen kestävästi eikä perinteisen kaivostoiminnan kaltaisesti haitata ympäristöä. Patelin mukaan:

“Integroimalla SSE:t elektrodialyysijärjestelmiin voimme mahdollistaa suoran litiumin louhinnan erilaisista vesipohjaisista lähteistä, vähentäen suurten haihdutusaltaiden ja kemiallisesti intensiivisten puhdistusvaiheiden tarvetta. Tämä voisi merkittävästi pienentää litiumin tuotannon ympäristöjalanjälkeä samalla kun prosessi tehostuu.”

Menetelmä, joka voi myös vähentää litiumin tuotannon liittyviä kustannuksia, odotetaan mahdollisesti teollisuuden omaksuvan 5–8 vuoden sisällä. Tutkijat odottavat, että SSE‑materiaalit ovat “DLE‑teknologioiden eturintamassa” tulevaisuudessa.

Tämän lisäksi tutkimus ennustaa laajempia sovelluksia SSE:ille ionivalikoivassa erottelussa litiumin lisäksi.

Kuten Elimelech huomautti, ionivalikoiman mekanismit kiinteän tilan elektrolyyteissä (SSE) voivat inspiroida vastaavien kalvojen kehittämistä muiden kriittisten elementtien erottamiseen vesilähteistä, avaten oven “uudelle kalvomateriaaliluokalle resurssien talteenotossa”.

Innovatiivinen yritys

Albemarle Corporation (ALB )

Jos tarkastelemme alalla merkittävää sijoituskohdetta, Albemarle Corporation erottuu globaalina litiumintuotannon johtajana, joka investoi kestäviin louhintateknologioihin.

Yhtiö harjoittaa kaivostoimintaa Australiassa, Chilessä ja Yhdysvalloissa. Sen litiumivarannot, joiden Albemarle mukaan ovat “maailman suurimpia ja korkealaatuisimpia”, koostuvat kallioperäisistä kerrostumista ja hyperkarkeista suoloista.

Albemarle kohtaa kuitenkin haasteita, jotka saivat sen viime kesänä keskeyttämään 1,3 miljardia dollaria maksavan EV-litiumin prosessointilaitoksen Etelä-Carolinassa, Yhdysvalloissa. Samanaikaisesti se pysäytti laajennuksen Australian valmistuslaitoksessa, jossa se tuottaa EV‑ille akku‑luokan litiumhydroksidia, heikkojen litiumhintojen vuoksi. Uutinen tuli vain noin vuosi Albemarle‑yhtiön julkistettua suunnitelmansa kaksinkertaistaa tuotanto, ja yli 1 miljardia dollaria ylittävä tappio Q3‑ssa 2024 johtui suurelta osin tämän projektin epäonnistuneesta laajennuksesta.

The hintojen lasku litiumimarkkinoilla jatkuu vahvan tuotannon vuoksi Chilessä, Trumpin hallinnon asettamien tullien ja Kiinan Kiinalaisen Uuden Vuoden jälkeisen kysynnän hidastumisen takia. Tämän seurauksena Albemarle joutui perumaan paitsi laajennusprojektinsa myös vähentämään henkilöstöä.

Albemarle Corporation toimii nykyisin pääasiassa kolmen päädivisioonan kautta – Energy Storage, Specialties ja Ketjen.

Energy Storage -divisioona valmistaa litiumkloridia, litiumhydroksidia ja litiumkarbonaattia. Specialties‑segmentti optimoi erittäin erikoistuneita litium- ja bromiiniratkaisuja ja palvelee liikkuvuus-, energia-, yhteys- ja terveysaloja. Ketjen keskittyy suorituskykyisiin katalysaattoriratkaisuihin (PCS), puhtaisiin polttoaineisiin (CFT) ja fluidisoituihin katalyyttisiin rikastusprosesseihin (FCC) sekä lisäaineisiin, jotka palvelevat avaruus-, auto-, perinteistä energiaa, verkko‑varastointia ja muita markkinoita.

Albemarle‑yhtiön markkina-arvo on 8,78 miljardia dollaria, ja osakekurssi on tällä hetkellä 74,82 $, mikä on 12,28 % lasku vuoden alusta. Yhtiön EPS (TTM) on -11,19 ja P/E (TTM) -6,74, kun taas osinkotuotto on 2,15 %. 27. helmikuuta yhtiö ilmoitti neljännesvuosittaisesta osakeosinkosta, joka on 0,405 $ per osake ja maksetaan 1. huhtikuuta.

Taloudellisista tiedoista, Q4‑ssä 2024 Albemarle raportoi nettomyynniksi 1,2 miljardia dollaria, kun nettotulos oli 75 miljoonaa dollaria tai 0,29 $ laimennettua osaketta kohden, ja oikaistu laimennettu tappio per osake oli (1,09 $).

Nettomyynnissä tapahtui 48 % lasku edellisvuoden vastaavasta neljänneksestä, jonka oli 2,4 miljardia dollaria, ja yhtiö selitti sen alhaisemmilla hinnoilla ja määrillä Energy Storage -divisioonassa. Eri divisioonien nettomyynnit olivat seuraavat – 617 miljoonaa dollaria Energy Storage‑divisioonassa, 333 miljoonaa Specialties‑divisioonassa ja 282 miljoonaa Ketjen‑divisioonassa.

Q4:n aikana Albemarle raportoi myös ennätyksellisen tuotannon Meishan- ja La Negra -litiumin konversiolaitoksissa. Kuitenkin se suunnittelee Chengdu, Kiinassa sijaitsevan laitoksensa huoltamista vuoden puoliväliin mennessä.

Koko vuoden aikana yhtiö raportoi nettomyynniksi 5,4 miljardia dollaria ja nettotappioksi 1,2 miljardia dollaria, kun operatiivinen kassavirta oli 702 miljoonaa dollaria. 31. joulukuuta 2024 Albemarlella oli noin 2,8 miljardia dollaria likviditeettiä, sisältäen 1,2 miljardia dollaria käteistä ja vastaavia. Sen kokonaisvelka oli samalla 3,5 miljardia dollaria.

“Teemme päättäväisiä toimia kustannusten vähentämiseksi, konversioprosessimme optimoimiseksi ja tehokkuuden lisäämiseksi pitkäaikaisen kilpailuaseman säilyttämiseksi. Katsoessamme tulevaisuuteen odotamme dynaamisten markkinaolosuhteiden jatkuvan, mutta olemme luottavaisia kykyymme tuottaa arvoa sidosryhmille lisäämällä taloudellista joustavuutta, vahvistamalla ydintoimintoja ja asemoimalla Albemarle tulevaa kasvua varten.”

– Toimitusjohtaja Kent Masters

Vuodelle 2025 yhtiö odottaa pääomamenonsa olevan 700–800 miljardia dollaria, 50 % vähemmän kuin vuoden 2024 1,7 miljardia dollaria. Tämä kulutus, Albemarle totesi, heijastaa olemassa olevien omaisuuserien ja resurssien ylläpidon priorisointia.

Uusimmat Albemarle Corporationista

Yhteenveto 

Nykyisessä hyper-mobiilissa maailmassa sähköajoneuvot ovat nousseet ratkaisuksi kestävyyskysymykseen. EV:t tarjoavat tavan vähentää hiilidioksidipäästöjä ja pienentää riippuvuuttamme fossiilisista polttoaineista. Tämän vallankumouksen ytimessä on akkuteknologia, joka auttaa EV:itä muokkaamaan kuljetuksen tulevaisuutta.

Keskeinen komponentti näissä akuissa on litium, joka on olennaista ei vain EV:iden, vaan myös monien nykyaikaisten laitteiden ja energian varastoinnin energianlähteenä. Ottaen huomioon litiumin merkityksen puhtaan energiasiirtymän kannalta, maailma kilpailee vakaan litiumin toimituksen varmistamisesta.

Perinteiset litiumin louhintamenetelmät, vaikka tehokkaita, rajoittuvat ympäristöhuoliin, resurssien intensiiviseen kaivostoimintaan ja pitkiin käsittelyaikoihin. Tässä läpimurrot, kuten kiinteän tilan elektrolyyttikalvojen (SSE) käyttö, tarjoavat mullistavan ratkaisun, sillä kestävän ja tehokkaan litiumin keräyksen mahdollistaminen voi paitsi lievittää lähestyviä toimitusketjuongelmia myös määritellä uudelleen akkujen tuotannon tulevaisuuden.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, laskeeko litiumioniakkujen kysyntä uusien natriumioniakkujen myötä.