(Bilde: PDTillman, Creative Commons Attribution 2.0 Generic)

SLIK LAGES ELBILBATTERIER

Slik utvinnes metallet som skal gjøre verden mindre avhengig av olje

Siden Sony kommersialiserte litiumionebatteriet i 1991, har varianter av batterikjemier basert på litium i større og større grad overtatt for andre batterikjemier.

De mange små og store batteridrevne teknologiene vi har omgitt oss med på denne siden av århundreskiftet, har på sett og vis blitt gjort mulig på grunn av batteriteknologien.

Hva er litiumionebatterier?

Litium er essensielt her, ettersom et litiumionebatteri fungerer ved at litiumioner beveger seg fra anoden til katoden.

Litiumionebatterier har fordelen at de har høy energitetthet. Det gjør det mulig å få på plass relativt mye batterikapasitet i et lite batteri.

Den negative elektroden er som regel laget i karbon (grafitt), mens den positive er et metalloksid med litium, for eksempel litiumjernfosfat (LiFePO4). Elektrolytten er et salt med litiumioner. 

Det brukes ikke rent litiummetall i batteriet. 

Energitetthet i batterier

Energitetthet oppgis som wattimer per liter. Dette beskriver den kjemiske bundne energien som kan utnuttes per volum energivare.

Litiumionebatterier har en energitetthet på inntil 676 wattimer per liter. Dette er den høyeste energitettheten for kommersielt tilgjengelige oppladbare batterier.

Nikkel-metallhybridbatterier har en energitetthet på inntil 300 wattimer per liter.

Nikkel-kadmiumbatterier har en energitetthet på inntil 150 wattimer per liter.

Blybatterier har en energitetthet på inntil 110 wattimer per liter.

Dette gjør litium i et batteri

Når batteriet leverer strøm, tiltrekkes positivt ladede litiumioner fra anoden til den negativt ladede katoden, via elektrolytten og en separator.

Separatoren sørger for en elektrisk isolasjon mellom elektrodene.

Derfor vil ionene holde seg stabile på anoden, helt til elektrodene forbindes via batteriets ytre krets. Det er denne kretsen lasten, for eksempel en motor, kobles på.

Katoden blir etterhvert mer positiv i forhold til anoden, ettersom ionene her får et elektron, og blir stabile litiumatomer.

For å dytte ionene tilbake til anoden, setter man på strøm. Da tvinges litiumatomene til å gi fra seg et elektron, og tiltrekkes anoden.

Litiumets oppgave i batteriet er derfor å vandre gjennom elektrolytten i ionetilstand. 

Så mye litium går med i et batteri

Litium per mil

Basert på beregninger fra Argonne National Laboratory, trengs en viss mengde litium avhengig av batterikjemi for å oppnå en viss rekkevidde.

1 kg litium i batteriet fremstilles av 5,3 kg litiumkarbonat, som utvinnes fra litiumkilder.

LiNo0.8Co0.15Al0.05O2: 442 gram, tilsvarende 2,3 kg litiumkarbonat.

LiFePo4: 292 gram, tilsvarende 1,54 kg litiumkarbonat.

LiMn2O4+grafitt: 211 gram, tilsvarende 1,11 kg litiumkarbonat.

LiMn2O4+titanat: 791 gram, tilsvarende 4,19 kg litiumkarbonat.

Mengden litium i et batteri varierer, men ifølge det amerikanske energidepartementets Argonne National Laboratory, trengs omtrent 9,4 kilo litium i en batteripakke med LiFePO4-kjemi til en bil med en rekkevidde på 321 kilometer (200 miles).

Tilsvarende vil en batteripakke med LiNiCoAlO2-kjemi, som Tesla bruker, kreve 14,8 kg litium for samme rekkevidde. 

Batteripakker med LiMnO2-kjemi, som brukes i blant annet Nissan Leaf, vil tilsvarende trenge 6,8 kg for samme rekkevidde. 

Den nøyaktige mengden som går med i de forskjellige produsentenes batteripakker er imidlertid forretningshemmeligheter.

For å finne ut mengden litiumkarbonat – råmaterialet som utvinnes – kan man gange opp mengden med 5,3. 18,8 prosent av innholdet i litiumkarbonat er litium.

Litium er essensen av dagens teknologi

Utladingsmekanismen i oppladbare litiumionebatterier. .
Utladingsmekanismen i oppladbare litiumionebatterier. . Foto: Lina Merit Jacobsen

Metallet er helt essensielt for at batteriene skal fungere, og muliggjøre mye av dagens teknologi. Før det finner veien til en battericelle, må det utvinnes. 

I batteriet brukes litium fremstilt fra litiumkarbonat, og er en essensiell ingrediens til både katode og elektrolytt. Alt må utvinnes fra en råmaterialkilde, som en gruve.

Litium er et metall det finnes mye av i naturen, men det er spredt tynt utover kloden, og det er få steder det finnes i særlige konsentrasjoner.

Litium opptrer heller ikke i ren form i naturen, så den er som regel bundet i en forbindelse som må foredles.

To kilder til litium

Det er i hovedsak to råmaterialekilder:

Fastfjellforekomster, som hentes fra gruvedrift hovedsakelig i Australia. Denne kilden er litiumholdige spodumenmineraler. En slik forekomst skal også settes i produksjon i Finland, av norske Nordic Mining.

Den største litiumkilden i dag er imidlertid litiumsalter fra saltsjøer i høyfjellet i Sør-Amerika.

Dette er den enkleste utvinningsmetoden, ettersom den – veldig enkelt sagt – bare krever saltsjøer med litiumsalter, og sol som fordamper vannet. Produksjonen er sammenlignbar med produksjon av bordsalt.

Saltsjøer med litiumforekomster finnes også andre steder, som i Nevadaørkenen i USA.

I Norge er det, ifølge Håvard Gautneb, forsker ved Norges geologiske undersøkelse (NGU), ikke påvist noen potensielle forekomster av litium. 

– Det opptrer i uøkonomiske gehalter rundt Tørdal i Telemark, og sør for Glomfjord-området på Helgeland. Utenlandske gruveselskaper er interessert, og har letet i Norge i flere år, men de er veldig restriktive om hva de forteller, så vi vet lite om detaljene. Men det har ikke kommet ut noen store nyheter, så det er neppe gjort noen veldig interessante funn enda, sier Gautneb.

Batteriene inneholder imidlertid også mye grafitt i anoden, og Norge er Europas største produsent av grafitt. Men norsk produksjon er imidlertid småtteri sammenlignet med de store, som Kina.


Kartet viser litiumutvinning fra Atacama-saltslettene i Chile.

Slik utvinnes litium fra saltsjøer

Noen steder finnes det saltlake som har høy konsentrasjon av litium. Dette finnes gjerne under den tørre overflaten på saltsjøer, men kan også opptre på overflaten.

Denne saltlaken kan pumpes opp fra reservoaret, omtrent som når man pumper olje. Den pumpes ut i et stort basseng, hvor solen fordamper og konsentrerer saltlaken.

Deretter pumpes saltlaken over i et nytt basseng, og prosessen gjentas. Dette må gjøres flere ganger, avhengig av konsentrasjon. Man oppnår økte konsentrasjoner av litiumsalter, som kan foredles videre.

Underveis kan det tas ut andre råmaterialer som finnes i saltlaken, som for eksempel kalium eller natrium.

Litiumkonsentrasjonen er som regel mellom 200 og 1400 milligram per liter før saltlaken prosesseres. Etter rundt et år med fordamping inneholder saltlaken en til to prosent litium. Den går da til et kjemisk prosessanlegg, hvor litiumet utvinnes.

Her filtreres uønskede elementer fra laken, og natriumkarbonat tilsettes for å utfelle litiumkarbonat. Litiumkarbonat er et hvitt pulver, som både kan behandles videre til litiummetall eller andre produkter.

Restene etter saltlaken kan pumpes tilbake i saltsjøen. 

66 prosent av litiumet som ble produsert i 2015 ble fremstilt på denne måten.

Metoden er kostnadseffektiv, ettersom de innledende undersøkelsene og andre forsøk tidlig i prosessen er enklere å sette opp sammenlingnet med om man må bore i fjell. En ny metode fra MobiLab som tar i bruk MRI-basert teknologi kan påvise litiuminnholdet i saltlake på minutter.

Dette fører igjen til at terskelen for å få lønnsomhet i utvinningen er lavere.


Kartet viser litiumgruve i Greenbushes i Australia.

Slik utvinnes litium fra fastfjellforekomster 

Spodumen utvinnes fra berg for å foredles videre til litiumkarbonat.
Spodumen utvinnes fra berg for å foredles videre til litiumkarbonat. Foto: Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Litium fra fastfjell må oppfylle flere krav før drift kan anses som lønnsom.

Det må mange prøveboringer til for å påvise en kilde. Deretter må bergartene undersøkes elektrisk eller magnetisk, slik at man kan få indikert reserven i forekomsten. 

Det er en tidkrevende prosess, som ikke er veldig ulik leting etter olje. Det kan ta mange år, og koster mye penger før man vet om det vil lønne seg å sette forekomsten i produksjon.

Om man finner ut at forekomsten er lønnsom, må tillatelser til å sette den i produksjon skaffes, noe som kan være en lang prosess. Se bare på prosessen rundt rutilforekomsten i Engebøfjellet i Naustdal.

Når litiumet først utvinnes, tas bergarten, for eksempel spodumen som utvinnes i Australia, ut av gruven. 

Malmen fraktes til et prosesseringsanlegg, hvor den knuses og varmebehandles i en roterende ovn. Dette omdanner krystallstrukturene i litiumet, og gjør det mulig å fortrenge litiumet ved å tilsette natrium i malmen.

Resultatet må pulveriseres, og blandes med svovelsyre før det igjen varmebehandles. I denne prosessen filtreres produktet, og magnesium og kalsium felles ut.

Til slutt tilsettes natriumkarbonat. Da dannes krystallisert litiumkarbonat, som kan foredles videre.

Miljøpåvirkning

Et skifte fra hydrokarbonbasert til batteribasert transport har også sin miljøpåvirkning.

Ifølge den EU-finansierte miljøorganisasjonen Reduse, har litiumutvinning fra saltlake fra Salar de Atacama nord i Chile flere negative miljøkonsekvenser.

Foruten å legge beslag på tidligere uberørte landområder, forstyrres grunnvannet, og dermed vannreservene, når saltlake pumpes opp.

Dette kan igjen føre til at våtmarksområder tørker ut, med konsekvenser for dyreliv.

Det virvles også opp mineralrikt støv, som kan forårsake helseproblemer, forurensing av vannkilder og jordsmonn.

Litiumgruven til Talison i Greenbushes i Australia er et åpent dagbrudd, og minner om en kobbergruve. Altså får man et stort hull i bakken.

Det er også en fare for at avfall fra gruvedriften kan komme på avveie i miljøet, så slike operasjoner krever nødvendigvis at det stilles høye krav til driften. Dette kan variere fra sted til sted. Eksempler på forurensing som følge av utvinning av forskjellige metaller er det mange av. 

Spørsmålet er til syvende og sist om fordelene med litiumionebatterier og andre litiumbaserte produkter veier opp for produksjonen og miljøpåvirkningen fra produksjonen. 

Noe som taler for litiumets fordel er at det er nærmest helt resirkulerbart. Utvunnet olje er for det meste brukt opp, med mindre den er bundet opp i for eksempel plastikk.

Rent praktisk er litium ikke like ille som metaller fra eldre teknologier, som for eksempel bly.

 

Er litium den nye oljen?

Litium var blant de få råmaterialene som gikk opp i pris i fjor. Både olje, jern, grafitt og kobber gikk kraftig ned.

Økningen i pris skyldes ganske enkelt at litium er vanskelig å få tak i, samtidig som det er stadig større behov for det i alt fra mobiler til bil.

Det er ifølge US Geological Survey (USGS) en global reserve av litium på 14 millioner tonn. Over halvparten, 7,5 millioner tonn, befinner seg i Chile.

Til sammenligning estimeres det at det ble produsert 32.500 tonn i 2015.

Finanskommentator Vikram Mansharamni skriver i en artikkel på PBS.org at etterspørselen etter litium er ventet å doble seg de neste ti årene. 

Det meste av reservene er imidlertid å finne i Andes-fjellene i Chile, Bolivia og Argentina, eller det såkalte «litiumtriangelet». Mansharamni påpeker at landene vil få stor økonomisk og politisk makt siden de kontrollerer mesteparten av materialet som er nødvendig for å få dagens økonomi til å gå rundt.

Men nye kilder kan dukke opp, og som nevnt er litium resirkulerbart.

Kilder: Miningfeeds.com, Håvard Gautneb, forsker ved NGU, visualcapitalist.comAbout.comUSGS.govANL.gov

Få med deg «Nordic EV Summit 2017» den 7. februar 2017.

Kommentarer (18)

Kommentarer (18)