Hållbar litiumutvinning – Revolutionerar EV‑leveranskedjor

Drivet av globala avkolningsinsatser förväntas tillväxten av elfordon (EV) fortsätta i snabb takt och stå för mer än hälften av de globala fordonssäljningarna om tio år. 

Denna omfattande elektrifiering av transportsektorn, som står för cirka 20 % av de globala koldioxidutsläppen (CO2) på grund av sitt starka beroende av fossila bränslen, kommer att bidra till att avsevärt minska de totala växthusgasutsläppen (GHG).

Den snabba övergången till EV medför dock ett stort problem – en kraftig belastning på leveranskedjan för kritiska element som används i EV‑batterier.

Bland EV‑batterier är litiumjonbatterier de mest använda på grund av deras låga kostnad och oöverträffade energitäthet, och de förväntas förbli den dominerande batterikemin. Detta innebär att litium (Li) i synnerhet kommer att fortsätta vara en väsentlig komponent.

Det mjuka, silvervita alkalimetallen, som är det lättaste av alla fasta grundämnen och reagerar kraftigt med vatten, används i betydande mängder i ett enda EV‑batteripaket.

Så naturligtvis förväntas efterfrågan på litium växa exponentiellt under det kommande decenniet, så mycket att den långt kommer att överstiga vad som kan erhållas genom brytning av litiummalmer eller extraktion från litiumrika saltlösningar fram till 2030.

Leveranskedjeproblemet med det kritiska batterielementet

Efterfrågan på litiumjonbatterier förväntas överstiga en terawattimme (TWh) i år, en dramatisk ökning från 74 gigawattimmar (GWh) för ett decennium sedan, enligt Benchmarks Lithium-ion Battery Database.

Denna kraftiga efterfrågan på litiumjonbatterier, som är central för tillväxten i bilindustrin och energiomställningen, får länder att söka utveckla egna inhemska leveranskedjor.

Medan Kina dominerar branschen intensifieras konkurrensen, där USA strävar efter att få kontroll över EV‑ och batteriteknik. Båda länderna inför handelsrestriktioner för att skydda sina industrier och nå toppen.

I januari i år föreslog Kina att begränsa litiumutvinnings‑ och raffineringstekniker för att få mer kontroll över den globala litium‑leveranskedjan. Kina, som också är hem för världens största litiumbatteritillverkare, där CATL står för den största marknadsandelen på 35 % följt av BYD, har blivit den näst största innehavaren globalt, med 16,5 % av den globala totalen när dess litiumreserver tredubblas.

Bolivia, Chile och Argentina är de andra mest framstående innehavarna av litiumreserver, med nya litiumproducenter som Saudiarabien som går med genom att investera kraftigt i litiumprojekt.

USA är också bland de främsta länderna med betydande litiumreserver. Trots detta är dess produktion relativt liten – mindre än 2 % av världens totala. Nästan allt detta litium kommer från Albemarles Silver Peak‑anläggning. Därför syftar ordern ”Unleashing American Energy” till att förenkla tillstånd för gruvdrift och stärka inhemska kapaciteter.

För några månader sedan anklagade en hög amerikansk tjänsteman kinesiska litiumproducenter för att eliminera konkurrerande projekt genom att översvälla den globala marknaden med den kritiska metallen och orsaka ett ”predatoriskt” prisfall.

Litiumpriserna har fallit med mer än 80 % under det senaste året, främst på grund av Kinas överproduktion. Enligt Jose Fernandez, dåvarande undersekreterare för Ekonomisk tillväxt, energi och miljö:

”De använder predatorisk prissättning… (de) sänker priset tills konkurrensen försvinner. Det är vad som händer.”

Kina, noterade han vidare, producerade mycket mer litium ”än världen behöver idag, med stor marginal.” Detta har lett till låga priser, vilket Fernandez sade ”begränsar vår förmåga att diversifiera våra leveranskedjor i stor, global skala.”

När konkurrensen intensifieras och prisvolatiliteten hotar globala leveranskedjor, finns ett akut behov av alternativa utvinningsmetoder för att säkerställa en stabil och hållbar litiumförsörjning.

Att hantera klyftan mellan litiumefterfrågan och -tillgång

För att effektivt hantera litiumtillgångsklyftan krävs en övergång från konventionella metoder till okonventionella vattenkällor. Detta inkluderar extrahera litium från geotermiska saltlösningar, industriellt avloppsvatten, vatten producerat av olja och gas samt grundvatten.

Traditionellt innebär denna typ av extraktion förkoncentration via solavdunstning, följt av en serie kemiska renings‑ och utfällningssteg.

Som ett resultat är litiumutvinning begränsad till regioner med torr och vidsträckt mark. Dessutom innebär det långa bearbetningstider och har negativa miljöeffekter, och trots allt har den fortfarande låga återvinningsgrader för litium.

Det är därför direkta litiumutvinnings‑ (DLE) teknologier har blivit fokus, då de kan övervinna de tids‑ och markintensiva begränsningarna. Dessa teknologier kan också erhålla högrenat litium utan att kräva kemiska efterbehandlingssteg.

Här är jonbytarhartser och adsorbenter, i synnerhet, starkt undersökta för litiumutvinning, men dessa tekniker kräver fortfarande partiell förkoncentration av litium på grund av deras begränsade litiumselektivitet och kräver stora volymer färskvatten eller kemikalier för regenerering.

Elektrokemisk litiuminterkalation, däremot, visar imponerande litiumselektivitet, men dessa metoder lider av kraftigt begränsad elektrodlivslängd och kräver periodisk regenerering.

Högt selektiva membraner har dock potentialen att övervinna dessa begränsningar genom att erbjuda kontinuerlig och hållbar litiumåtervinning. Denna metod underlättar den preferentiella transporten av litium framför konkurrerande joner.

När det gäller denna teknik är forskning på membranmaterial som ger hög litiumselektivitet mot både vanliga konkurrerande divalenta och monovalenta joner fortsatt avgörande.

Senast har forskare från Elimelech‑labbet vid Rice University gjort ett stort genombrott genom att återanvända fast‑tillståndselektrolyter (SSE) som membranmaterial för vattenbaserad litiumutvinning.

SSE är ett starkt undersökt ämne inom batterigemenskapen men inte som membranmaterial för vattenbaserade jonseparationer. Utvecklingen av SSE har varit fokusområdet inom batterifältet på grund av säkerhetsproblem som orsakas av brandfaran hos vanliga flytande elektrolyter.

Fast‑tillståndselektrolyter (SSE) erbjuder faktiskt lovande alternativ till traditionella flytande elektrolyter i batterier, med förbättrad säkerhet och potential för högre energitäthet. SSE är fasta material som möjliggör transport av joner som litiumjoner mellan elektroder i ett batteri.

Förutom att erbjuda förbättrad säkerhet genom att vara icke‑brandfarliga, är SSE också mer hållbara men möter utmaningar som lägre jonledningsförmåga och gränssnittsstabilitet.

När det gäller den potentiella tillämpningen av SSE som membranmaterial för selektiv extraktion av litiumjoner från havsvatten har några studier visat deras möjliga användning, men den grundläggande utvärderingen och förståelsen av transport i SSE har ännu inte utforskats.

Den senaste studien utvärderar användningen av ett Li‑jon‑ledande SSE som membran för vattenbaserad litiumutvinning genom att undersöka grunderna för jon‑ och vattentransport i SSE och utvärdera dess jon‑till‑jon‑selektivitet mot vanliga konkurrerande katjoner i litiumbrunnar.

Studieresultaten visar ”nästan perfekt litiumselektivitet.” Den avslöjade också ett viktigt samband – även om de är ogenomträngliga, påverkar närvaron av konkurrerande katjoner (en positivt laddad jon) fortfarande negativt litiumjonflödet.

Klicka här för att ta reda på om Arkansas har svaret på USA:s ökande litiumbehov.

Banar vägen för hållbara leveranskedjor för EV‑batterier

Publicerad i Science Advances¹ beskriver studien utvecklingen av den effektiva litiumutvinningsmetoden – ett högselektivt fast‑tillståndselektrolytmembran som revolutionerar litiumutvinning med nästan perfekt selektivitet, vilket därmed förbättrar hållbarheten i EV‑batterileveranskedjor.

Forskarteamet fann att den högordnade och begränsade strukturen hos SSE, ursprungligen designad för snabb ledning av litiumjoner i fast‑tillståndsbatterier, kan uppnå enastående separation av både joner och vatten i vattenblandningar.

Detta markerar ett potentiellt genombrott i hållbar resursåtervinning som kan hjälpa till att minska beroendet av traditionella tekniker. Enligt korresponderande författare Menachem Elimelech, Nancy och Clint Carlson, professor i civil- och miljöteknik:

”Utmaningen handlar inte bara om att öka litiumproduktionen utan om att göra det på ett sätt som både är hållbart och ekonomiskt lönsamt.”

Den nya tekniken som utvecklats av forskarteamet bygger på en grundläggande skillnad mellan traditionella nanoporousmembran och SSE.

Skillnaden är att konventionella membran förlitar sig på hydratiserade nanoskaliga porer för jontransport, medan SSE förflyttar Li‑joner med en anhydrous hoppmekanism inom ett högordnat kristallint gitter.

”Detta innebär att litiumjoner kan migrera genom membranet medan andra konkurrerande joner, och till och med vatten, effektivt blockeras. Den extrema selektiviteten som vårt SSE‑baserade tillvägagångssätt erbjuder gör det till en mycket effektiv metod för litiumutvinning, då energi endast förbrukas för att föra de önskade litiumjonerna över membranet.”

– Första författaren Sohum Patel, för närvarande postdoktorand vid Massachusetts Institute of Technology (MIT)

För att testa detta fenomen använde teamet en elektrodialysuppsättning, där elektricitet används för att driva Li‑joner över membranet.

Experimentresultatet visade att även när koncentrationen av konkurrerande joner var hög, fortsatte SSE att uppvisa nästan perfekt litiumselektivitet utan märkbara konkurrerande joner. Detta är något traditionella membranteknologier inte har kunnat uppnå.

För att besvara frågan varför SSE visar så exceptionell Li‑jon‑selektivitet använde teamet en kombination av beräknings‑ och experimentella tekniker, vilket pekade på den tätt packade, stela kristallina strukturen i SSE. Denna struktur hindrar inte bara vattenmolekyler från att tränga igenom membranet utan även större joner som natrium och magnesium.

”Gittret fungerar som ett molekylsikt, som endast tillåter litiumjoner att passera. Denna kombination av högprecis storleks‑ och laddningsutslag är vad som gör SSE‑membranet så unikt.”

– Elimelec

Även om konkurrerande joner inte passerade genom SSE noterade forskarna att deras närvaro minskade litiumflödet, även om det fortfarande var jämförbart med de som observerats i betydligt mindre selektiva membranmaterial. Forskare tror att denna utmaning, som orsakas av blockering av tillgängliga ytor för jonutbyte, kan lösas genom ytterligare materialutveckling.

Dessutom krävs ytterligare arbete för att visa SSE:s effektivitet när den tillämpas på allt mer komplexa och salta källvatten.

Sammanfattningsvis lyfter studien fram ”den mycket lovande tillämpningen av SSE för litiumåtervinning.”

Enligt forskarna kan denna nyutvecklade metod hjälpa till att säkra en stabil litiumförsörjning för en rad industrier, inklusive fordons-, elektronik- och förnybar energisektorerna.

SSE‑baserade membran kan inte bara hjälpa till att lösa de litiumbrist som ligger i horisonten, utan de kan också göra det på ett hållbart sätt utan att negativt påverka miljön som traditionell gruvdrift. Enligt Patel:

”Genom att integrera SSE i elektrodialysystem kan vi möjliggöra direkt litiumutvinning från en rad vattenkällor, vilket minskar behovet av stora avdunstningsbassänger och kemikalieintensiva reningssteg. Detta kan avsevärt minska den miljömässiga fotavtrycket från litiumproduktion samtidigt som processen blir mer effektiv.”

Metoden, som också kan minska kostnaderna för litiumproduktion, förväntas kunna tas i bruk industriellt inom 5–8 år. Forskare förväntar sig att SSE‑material kommer att vara ”i framkant av DLE‑teknologier” framöver.

Utöver detta förutspår studien bredare tillämpningar för SSE i jonselektiva separationer bortom litium.

Som Elimelech påpekade kan mekanismerna för jonselektivitet i fast‑tillståndselektrolyter (SSE) inspirera utvecklingen av liknande membran för extraktion av andra kritiska element från vattenkällor, vilket öppnar dörren till ”en ny klass av membranmaterial för resursåtervinning.”

Innovativt företag

Albemarle Corporation

Om vi tittar på ett framstående investerbart företag inom detta område, utmärker sig Albemarle Corporation (ALB ) som en global ledare inom litiumproduktion och investerar i hållbara utvinningsmetoder.

Företaget driver gruvor i Australien, Chile och USA. Dess litiumresurser, som Albemarle säger är ”bland de största och högsta kvaliteten i världen”, består av hårda bergartsfyndigheter och hypersalina saltlösningar.

Albemarle står dock inför utmaningar, vilket fick dem förra sommaren att pausa ett EV‑litiumprocessanläggning på 1,3 mdol i South Carolina, USA. Samtidigt stoppade de expansionen av en tillverkningsanläggning i Australien, där de producerar litiumhydroxid av batterikvalitet för EV, på grund av svaga litiumpriser. Nyheten kom bara omkring ett år efter att Albemarle delat sin plan att fördubbla produktionen, med en stor del av deras förlust på över 1 mdol under Q3 2024 tillskriven den misslyckade expansionen av detta projekt.

Prisnedgången på litiummarknaden fortsätter på grund av stark produktion i Chile, tullar från Trump‑administrationen och en avmattning i efterfrågan efter den kinesiska vårfestivalen. Som ett resultat tvingades Albemarle att inte bara avbryta sina expansionsprojekt utan också minska personalen.

Albemarle Corporation verkar främst genom tre huvuddivisioner – Energy Storage, Specialties och Ketjen.

Energy Storage‑divisionen tillverkar litiumklorid, litiumhydroxid och litiumkarbonat. Specialties‑segmentet optimerar högspecialiserade litium‑ och bromlösningar och betjänar mobilitet, energi, anslutnings‑ och hälsoindustrierna. Ketjens fokus ligger på prestandakatalysatorlösningar (PCS), ren bränsleteknik (CFT) och fluidiserade katalytiska kracknings‑ (FCC) katalysatorer och tillsatser som betjänar flyg, bil, konventionell energi, nätlagring och andra marknader.

Med ett börsvärde på 8,78 mdol handlas Albemarles aktiekurs för närvarande till 74,82 $ och är ned 12,28 % år‑till‑datum. Företaget har ett EPS (TTM) på -11,19 och ett P/E (TTM) på -6,74, medan den betalda utdelningen är 2,15 %. Den 27 februari deklarerade företaget en kvartalsvis vanlig aktieutdelning på 0,405 $ per aktie, betalningsdag 1 april.

När det gäller företagets finanser rapporterade Albemarle för Q4 2024 nettoomsättning på 1,2 mdol medan nettoresultatet var 75 mln $ eller 0,29 $ per utspädd aktie, och justerad utspädd förlust per aktie var (1,09 $).

Nettoomsättningen såg en nedgång på 48 % jämfört med föregående årskvartal på 2,4 mdol, vilket företaget tillskrev lägre priser och volymer i Energy Storage. Nettoomsättningen för de olika divisionerna var följande – 617 mln $ i Energy Storage, 333 mln $ i Specialties och 282 mln $ i Ketjen.

Under Q4 rapporterade Albemarle också att de uppnått rekordproduktion vid Meishan‑ och La Negra‑anläggningarna för litiumkonversion. De planerar dock att lägga sin anläggning i Chengdu, Kina, i underhåll senast mitten av året.

För hela året rapporterade företaget nettoomsättning på 5,4 mdol och en nettoförlust på 1,2 mdol, medan kassaflödet från verksamheten var 702 mln $. Per 31 december 2024 hade Albemarle cirka 2,8 mdol i likviditet, inklusive 1,2 mdol i kontanter och likvärdiga tillgångar. Dess totala skuld uppgick samtidigt till 3,5 mdol.

”Vi vidtar beslutsamma åtgärder för att minska kostnader, optimera vårt konverteringsnätverk och öka effektiviteten för att bevara vår långsiktiga konkurrensposition. När vi ser framåt förväntar vi oss att dynamiska marknadsförhållanden fortsätter, men vi är fortsatt säkra på vår förmåga att leverera värde till intressenter genom att öka vår finansiella flexibilitet, stärka våra kärnkompetenser och positionera Albemarle för framtida tillväxt.”

– VD Kent Masters

För 2025 förväntar sig företaget att kapitalutgifterna ligger i intervallet 700 mln till 800 mln $, 50 % mindre än 2024:s 1,7 mdol. Denna utgift, noterade Albemarle, speglar en prioritering av att upprätthålla befintliga tillgångar och resurser.

Senaste om Albemarle Corporation

Slutsats 

I dagens hypermobila värld har elfordon framträtt som en lösning på hållbarhetsproblemet. EV erbjuder ett sätt att minska koldioxidutsläpp och minska vårt beroende av fossila bränslen. I centrum av denna revolution står batteriteknologin, som hjälper EV att omforma framtidens transport.

En nyckelkomponent i dessa batterier är litium, som är avgörande för att driva inte bara EV utan också många moderna enheter och energilagring. Med tanke på litiums betydelse i övergången till ren energi tävlar världen för att säkra en stabil litiumförsörjning.

Konventionella litiumutvinningsmetoder, även om de är effektiva, begränsas av miljöproblem, resursintensiv gruvdrift och långa bearbetningstider. Här erbjuder genombrott som användning av fast‑tillståndselektrolyt‑ (SSE) membran en transformerande lösning, eftersom möjliggörandet av hållbar och effektiv litiumutvinning inte bara kan lindra de förestående leveranskedjeproblemen utan också omdefiniera framtiden för batteriproduktion.

Klicka här för att ta reda på om efterfrågan på litiumjonbatterier kommer att falla med nya natriumjonbatterier.