Литий-ионные аккумуляторы и глобальное потребление ресурсов

В течение последних двух десятилетий литий-ионные аккумуляторы вызвали трансформацию потребления металлов и минералов. Ожидается, что ситуация изменится еще больше, поскольку литий-ионные аккумуляторы эволюционируют от портативных применений, таких как мобильный телефон с небольшим аккумулятором емкостью 10 Вт·ч, до электромобилей с аккумулятором емкостью 50–100 кВт·ч и до гигантских систем накопления энергии (ESS) с аккумуляторными блоками емкостью до 10 МВт·ч.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

В начале тысячелетия лишь небольшой процент кобальта и лития использовался в аккумуляторах, но к 2015 году 46% кобальта и 32% лития уже потреблялось для производства литий-ионных аккумуляторов. Другие материалы, такие как графит, никель-марганец, медь и алюминий, не претерпели столь резких изменений в потреблении.

Добыча и ресурсы лития

Нахождение достаточного количества лития в сырье готовит горнодобывающую промышленность к увеличению производства. Компактный аккумулятор для электромобиля (Nissan Leaf) использует около 4 кг (9 фунтов) лития, и если бы каждый мужчина, женщина и подросток в будущем водили электромобиль, мог бы возникнуть дефицит лития. Слухи о таком дефиците распространяются, возможно, преждевременно, хотя цена на литий будет колебаться в зависимости от спроса и предложения.

Около 70 процентов мирового лития происходит из рассола (соленых озер); остальное — из твердых пород. Научно-исследовательские учреждения разрабатывают технологии для добычи лития из морской воды. Китай является крупнейшим потребителем лития, и есть подозрение в его накоплении. Китайцы считают, что будущие автомобили будут работать на литий-ионных аккумуляторах, и неограниченные поставки лития для них важны.

Спрос и рынок лития

В 2009 году глобальный спрос на литий достиг почти 92 000 метрических тонн, из которых 26% потребляли аккумуляторы. К 2015 году именно аккумуляторы стали крупнейшими потребителями лития. Хотя пандемия COVID-19 в 2020 году временно уменьшила спрос, общая тенденция указывает на дальнейший рост.

Наибольшую долю лития потребляют аккумуляторы. С появлением электромобилей спрос может резко возрасти, но в настоящее время в мире достаточно подтвержденных запасов лития. COVID-19 в 2020 году временно остановил спрос на литий.

Большинство известных запасов лития находятся в Боливии, Аргентине, Чили, Австралии и Китае. Качество приемлемо, и отчеты показывают, что Бразилия имеет запасы литиевых полезных ископаемых, которые не только высшего качества, но и имеют более низкие затраты на добычу. Между тем, в 2019 году Западная Австралия стала производителем лития номер один в мире, вторым по величине производителем редкоземельных элементов, третьим по величине производителем кобальта в мире и четвертым по величине производителем никеля в мире.

Вызовы добычи и переработки

Запасы достаточны, и опасения относительно глобального дефицита являются спекулятивными. Чтобы получить одну тонну лития, Латинская Америка использует 750 тонн рассола, базового материала для лития, и добавляет 24 месяца подготовки. Литий также можно перерабатывать неограниченное количество раз, но сегодня не существует технологии переработки, которая способна производить достаточно чистый литий для повторного использования в аккумуляторах. Говорят, что 20 тонн отработанных литий-ионных аккумуляторов дают одну тонну лития. Это поможет увеличить поставки, но переработка может быть дороже, чем добыча новых запасов путем добычи полезных ископаемых.

Литий обычно получают из рассола, что является водо- и энергоемким процессом. Для получения 0,05-1 мг лития требуется 1 литр рассола/минеральной воды. Районы, богатые литием, часто засушливы, и это увеличивает стоимость добычи. Сухие и соленые условия также могут негативно влиять на здоровье человека. Добыча из морской воды является более дорогим способом добычи лития. Кроме того, добыча и рафинирование металлического лития загрязняет окружающую среду.

Химия и свойства лития

Литий назван от греческого слова «литос», что означает «камень». Этот мягкий, серебристо-белый металл относится к группе щелочных металлов и обозначается символом Li. Он самый легкий из всех металлов.

Большинство литий-ионных аккумуляторов содержат литий не в металлической форме, а в оксиде металла. Это отличается от металлических литиевых аккумуляторов, которые используют литий в качестве анода. Большинство металлических литиевых аккумуляторов, доступных сегодня, не являются перезаряжаемыми.

Под воздействием кислорода литий образует оксидный слой, подобный ржавчине на железе, который изменяет его внешний вид. Воздействие воды на литий образует водород и гидроксид лития. Из-за присутствия кислорода (O2) в воздухе и образовавшегося водорода (H2), тепло, выделяющееся в результате реакции, может привести к самовозгоранию.

Редкоземельные материалы и другие риски

Литиевое сырье в литий-ионном аккумуляторе составляет лишь долю одного цента на ватт, или менее 1 процента от стоимости аккумулятора. Аккумулятор стоимостью 10 000 долларов для гибридного автомобиля с подзарядкой содержит литий на сумму менее 100 долларов. Дефицит при производстве миллионов больших аккумуляторов для транспортных средств и стационарного оборудования может увеличить цену, но в настоящее время это не так.

Вместо того чтобы беспокоиться о нехватке лития, может возникнуть дефицит редкоземельных материалов, если электромобили заменят обычные автомобили. Одним из таких материалов является постоянный магнит для электродвигателей. Двигатели на постоянных магнитах являются одними из самых энергоэффективных. Китай контролирует около 95 процентов мирового рынка редкоземельных металлов и ожидает использовать большую часть этих ресурсов для собственного производства. Экспорт редкоземельных материалов строго контролируется.

Рисунок 2: Типичное литиевое поле с морского дна