baterij v električnih vozilih - um

baterij v elektrinih vozilih
baterij v elektrinih vozilih
Somentor: izr. prof. dr. Matja Knez
Celje, 2019
IZJAVA O AVTORSTVU zakljunega dela
Spodaj popisan/a Rok Dvoršak, študent/-ka visokošolskega študijskega programa
(študija), z vpisno številko 20035123, sem avtor/-ica zakljunega dela: Analiza
dostopnosti surovin za izdelavo baterij v elektrinih vozilih.
S svojim podpisom zagotavljam:
da je predloeno delo rezultat izkljuno mojega lastnega raziskovalnega dela;
sem poskrbel/-a, da so dela in mnenja drugih avtorjev oz. avtoric, ki jih uporabljam v
zakljunem delu, navedena oz. citirana v skladu z navodili Fakultete za logistiko
Univerze v Mariboru;
sem poskrbel/-a, da so vsa dela in mnenja drugih avtorjev oz. avtoric navedena v
seznamu virov, ki je sestavni del zakljunega dela in je zapisan v skladu z navodili
Fakultete za logistiko Univerze v Mariboru;
sem pridobil/-a vsa dovoljenja za uporabo avtorskih del, ki so v celoti prenesena v
zakljuno delo in sem to tudi jasno zapisala v zakljunem delu;
se zavedam, da je plagiatorstvo – predstavljanje tujih del, bodisi v obliki citata bodisi
v obliki skoraj dobesednega parafraziranja bodisi v grafini obliki, s katerim so tuje
misli oz. ideje predstavljene kot moje lastne – kaznivo po zakonu (Zakon o avtorskih
in sorodnih pravicah), prekršek pa podlee tudi ukrepom Fakultete za logistiko
Univerze v Mariboru v skladu z njenimi pravili;
se zavedam posledic, ki jih dokazano plagiatorstvo lahko predstavlja za predloeno
delo in za moj status na Fakulteti za logistiko Univerze v Mariboru;
je zakljuno delo jezikovno korektno in da je delo lektoriral Tea Petrovski.
V Celju, dne ________________ Podpis avtorja/-ice:___________________
Analiza dostopnosti surovin za izdelavo baterij v elektrinih
vozilih
V diplomskem delu se osredotoimo na rast proizvodnje elektrinih vozil in posledino
izrabljanje nekaterih redkih kovin, ki so kljune za izdelavo takšnih vozil. Skozi teorijo o
baterijah in s pomojo številne strokovne literature ter poroil ugotovimo, da je najbolj
ogroena kovina kobalt. Razlog za to je centraliziran izvoz te kovine iz politino
nestabilne drave Demokratine Republike Kongo in odvisnost od proizvodnje drugih
kovin. Ugotovimo, da proizvodnja elektrinih vozil ni v celoti odvisna od izpostavljene
kovine, tako da lahko priakujemo padec cen elektrinih vozil. Razišemo dodatne
rešitve, s katerimi bi lahko zmanjšali odvisnost avtomobilske industrije od nestabilnega
trga.
Kljune besede: alternativna goriva, elektrina vozila, redke kovine, kobalt, litij
Analysis of the availability of raw materials for the production of batteries for electric vehicles
In the thesis, we focus on the growth of the production of electric vehicles and the
consequent utilization of some rare metals, which are crucial for the production of such
vehicles. Through the theory of batteries and from the numerous scientific literature
and reports we find out that the most endangered metal is cobalt. This is due to the
centralized export of this metal from the politically unstable country of the Democratic
Republic of Congo and the dependence on the production of other metals. We conclude
that the production of electric vehicles is not entirely dependent on the exposed metal
so that we can expect a fall in the prices of electric vehicles. We explore additional
solutions that could reduce the automotive industry's dependence on an unstable
market.
Rok Dvoršak: Analiza dostopnosti surovin za izdelavo baterij v elektrinih vozilih V
Kazalo vsebine
PREDPOSTAVKE IN OMEJITVE ................................................................................................ 2
1.1.1 Cilji strategije za alternativna goriva ............................................................... 5
1.2 BATERIJE .................................................................................................................... 5
1.2.2. Nikelj baterije .................................................................................................. 7
1.3 MATERIALI POTREBNI ZA PROIZVODNJO BATERIJ ZA EV ........................................................ 9
1.3.1 Litij ................................................................................................................... 9
1.3.2 Kobalt ............................................................................................................. 10
1.3.3 Aluminij .......................................................................................................... 10
1.3.4. Mangan ........................................................................................................ 11
1.3.5 Nikelj .............................................................................................................. 12
1.3.6 Svinec ............................................................................................................. 12
1.4.1 Litij kobalt oksid (LiCoO2)-LCO ....................................................................... 13
1.4.2 Litij mangan oksid (LiMn2O4) - LMO .............................................................. 14
1.4.3 Litij nikelj mangan kobalt oksid (LiNiMnCoO2) - NMC ................................... 14
1.4.4 Litij nikelj kobalt aluminijev oksid (LiNiCoAlO2) – NCA .................................. 14
1.4.5 Litij elezov fosfat (LiFePO4) – LFP ................................................................. 15
1.5 TRIŠE PRIKLJUNIH ELEKTRINIH VOZIL ......................................................................... 16
2 POSNETEK OBSTOJEEGA STANJA IN KRITINA ANALIZA ...................................... 18
Fakulteta za logistiko Univerze v Mariboru Visokošolski strokovni študijski program
Rok Dvoršak: Analiza dostopnosti surovin za izdelavo baterij v elektrinih vozilih VI
2.1 TRENUTNO STANJE REDKIH KOVIN .................................................................................. 18
2.1.1 Problematika litija ......................................................................................... 19
2.1.2 Problematika kobalta .................................................................................... 20
2.2 PORABA SVINCA ......................................................................................................... 23
2.4 KRITINA ANALIZA ...................................................................................................... 26
3 PREDLOGI IZBOLJŠAV ........................................................................................... 27
3.1.1 Pridobivanje znanja o baterijskih surovinah .................................................. 27
3.1.2 Veanje proizvodnje ....................................................................................... 27
3.2 ALTERNATIVNE BATERIJE .............................................................................................. 28
3.2.1 Li-ion baterije ................................................................................................. 28
3.2.4 Grafitne baterije ............................................................................................ 29
3.3. RECIKLIRANJE BATERIJ ................................................................................................ 30
3.4 GLOBOKOMORSKO RUDARJENJE .................................................................................... 33
MONOST NADALJNJEGA RAZVOJA ...................................................................................... 36
PRILOGE ................................................................................................................. 41
Rok Dvoršak: Analiza dostopnosti surovin za izdelavo baterij v elektrinih vozilih VII
Kazalo slik
SLIKA 2: PRIMERJAVA LASTNOSTI VRST BATERIJ ........................................................................................................ 8
SLIKA 3: GRAF RASTI PEV V OBDOBJU 2014-2018 ............................................................................................... 16
SLIKA 4: ŠTEVILO PRODANIH PEV NA TRIŠIH ...................................................................................................... 17
SLIKA 5: UVOZ IN IZVOZ LI ................................................................................................................................. 19
SLIKA 6: RAZMERJE POVPRAŠEVANJA IN ZALOGE LI V LETIH 2017 IN 2025 ................................................................. 20
SLIKA 7: UVOZ IN IZVOZ CO ............................................................................................................................... 21
SLIKA 8: CENA CO ........................................................................................................................................... 22
SLIKA 9: RAZMERJE POVPRAŠEVANJA IN ZALOGE CO V LETIH 2017 IN 2025 ................................................................ 23
SLIKA 10: RIKŠA .............................................................................................................................................. 24
SLIKA 11: RAZLINA POROILA O CENAH EV V PRIHODNOSTI .................................................................................... 25
SLIKA 12: PARITETA STROŠKOV ELEKTRINIH IN KONVENCIONALNIH VOZIL ................................................................... 26
Kazalo tabel
TABELA 2: KARAKTERISTIKE KOBALTA................................................................................................................... 10
TABELA 7: TABELA ASOVNIH OKVIRJEV IZBOLJŠAV ................................................................................................. 36
GRAF 1: PRIMERJAVA BATERIJSKIH CELIC .................................................................................... 16
Rok Dvoršak: Analiza dostopnosti surovin za izdelavo baterij v elektrinih vozilih VIII
Seznam okrajšav
Li-ion Litij-ionska
NMC Nikelj-mangan-kobalt
NCA Nikelj-kobalt-aluminij
LFP Litij-elezo-fosfat
Rok Dvoršak: Analiza dostopnosti surovin za izdelavo baterij v elektrinih vozilih 1
Uvod
Za zmanjševanje negativnega vpliva prometa na okolje je nujen prehod na alternativna
goriva. Eno od kljunih goriv v prihodnosti bo zagotovo elektrina energija (EE). Pri
uvajanju novih nainov transporta e beleimo teave, ki jih ni mo spregledati. Spodaj
bomo izpostavili zastavljeni problem, cilje in omejitve ter metode, ki jih bomo uporabili
pri iskanju rešitve.
Predstavitev problema
Promet je eden kljunih vzrokov za nastajanje toplogrednih plinov (TGP). Od leta 1986
do leta 2014 se je dele TGP poveal za 166%. (»Izpusti toplogrednih plinov iz prometa«
[ARSO OKOLJE, kazalci okolja], avgust 2016). Da bi omejili onesnaevanje ozraja v
prometu, je Vlada Republike Slovenije 12. oktobra 2017 sprejela strategijo za
alternativna goriva. Poleg ciljev za postavitev ustrezne infrastrukture so v strategiji
navedene tudi regulacije izpustov ogljikovega dioksida (CO2). Od leta 2025 ne bo ve
mono registrirati novega vozila, ki bi presegalo 100 g CO2 na km in od leta 2030 novega
vozila z ve kot 50 g CO2 km. (»Vlada sprejela strategijo za alternativna goriva« [152.
Redna seja vlade], oktober 2017)
Evropa ni znana kot proizvajalec nafte, zato bodo za Evropo alternativna goriva kljunega
pomena. V zadnjem asu med vozili na alternativna goriva prevladujejo baterijska
elektrina vozila (BEV). V teh vozilih se za zagotavljanje moi, dosega in varnosti
uporablja kemijski element kobalt (Co) v kombinaciji z drugimi kovinami. Element
nastaja kot stranski produkt bakra (Cu) in niklja (Ni), po katerih upada povpraševanje in
posledino raste cena kobalta. S strmim narašanjem proizvodnje elektrinih vozil in
elektronskih naprav vse bolj zmanjkuje svetovne zaloge kobalta, ki naj bi ga bilo po
ocenah premalo e leta 2025. (Patel, 1. januar 2018)
Fakulteta za logistiko Univerze v Mariboru Visokošolski študijski program
Doloitev ciljev in namena diplomske naloge
V diplomski nalogi se bomo osredotoili na materiale, ki so potrebni za izdelavo baterij
v EV.
• Hipoteza 1: Kovina kobalt je nadomestljiva v elektrinih vozilih (EV).
• Hipoteza 2: Cene elektrinih vozil se bodo spustile kljub izrabljanju redkih kovin.
Cilji, ki jih bomo skušali dosei:
• Preuiti zakonsko ozadje o uporabi alternativnih goriv in postopni ukinitvi
motorjev na notranje izgorevanje.
• Pregled literature o redkih materialih, ki so pomembni pri proizvodnji EV.
• Analiza triša EV.
• Raziskati alternative, ki bi nadomestile ali poveale zaloge redkih kovin.
• Raziskati vrste baterij, ki se uporabljajo v EV in preuiti njihovo delovanje.
• Analiza redkosti surovin potrebnih za proizvodnjo baterij v EV.
Predpostavke in omejitve
V diplomski nalogi se bomo omejili na EV. Predpostavljamo, da so elementi kobalt, nikelj,
litij in mangan edine kovine, ki neposredno vplivajo na uinkovito delovanje baterij in
posledino EV.
Metode dela
V diplomskem delu bomo analizirali dostopne strokovne baze podatkov glede rabe
dostopnosti virov za proizvodnjo baterij v EV. Uporabili bomo razline metode. Z metodo
deskripcije bomo opisovali dejstva in odnose med njimi. Pri komparativni metodi bomo
primerjali morebitne izboljšave, kot so alternativni materiali, pridobivanje kobalta pod
vodo, recikliranje baterij in nanotehnologija. Z metodo kompilacije in s pomojo domae
ter tuje strokovne in znanstvene literature bomo navajali besedila in kljune toke
predelane snovi. Z induktivno-deduktivno metodo bomo iz razlinih primerov sklepali
splošne ugotovitve in obratno.
Hipotezo H1 bomo preverjali na osnovi pregleda literature in iskanja alternativ redkih
materialov. Hipotezo H2 bomo preverjali na osnovi analize triša EV in na osnovi H1.
1 Teoretina izhodiša
V prvem poglavju bomo podali teorijo o osnovnih elementih diplomske naloge, ki so
kljuni za nadaljnje razumevanje naše problematike. Izhajali bomo iz vpeljavitve
strategije alternativnih goriv in nadaljevali z osnovnimi pojmi o baterijah, njihovi sestavi
in trgu EV.
1.1 Strategija alternativnih goriv
Slovenija je 12. oktobra 2017 sprejela strategijo za alternativna goriva, ki v slovenski
pravni red prenaša evropsko direktivo o vzpostavitvi infrastrukture za alternativna
goriva. V strategijo je vkljuen program, ki bo postopoma uvajal alternativna goriva in
potrebno infrastrukturo, da bi od leta 2030 zagotovili prve registracije vozil, ki ne bi
presegale izpusta 50g CO2. (»Sprejeta strategija za alternativna goriva« [Ministrstvo za
infrastrukturo], 2017)
Definirana alternativna goriva v evropski direktivi so . (»Sprejeta strategija za
alternativna goriva« [Ministrstvo za infrastrukturo], 2017):
EE
Utekoinjen naftni plin (UNP);
V akcijskem nartu, ki doloa zaetke vzpostavitve infrastrukture za alternativna goriva
za obdobje od 2018 do 2020, so prednostno predvideni ukrepi za vozila na elektrini
pogon, stisnjen in utekoinjen zemeljski plin ter vozila, s katerimi bomo spodbudili
poveevanje števila vozil na alternativna goriva.
1.1.1 Cilji strategije za alternativna goriva
Da bi si laje predstavljali, kaj za Slovenijo pomeni omejitev ogljinega odtisa oziroma
znianje izpustov CO2 v prometu, strategija za alternativna goriva vsebuje podcilje, s
katerimi naj bi nam to uspelo. Slovenija si prizadeva, da bo do leta 2030 zmanjšala
izpuste TPG za 9% glede na leto 2020. Da bi se to uresniilo, bo potrebno zagotoviti
doloeno število vozil na alternativna goriva, in sicer kot sledi:
17% EV;
33% avtobusov na SZP;
12% tekih tovornih vozil na UZP.
Za zagotovitev ciljev bo potrebno tudi stopnjevanje uporabe biodizla, zlasti v tovornem
prometu. (»Sprejeta strategija za alternativna goriva«, 2017)
1.2 Baterije
Baterije so naprave, ki skladišijo elektrino energijo ter nam s tem omogoijo uporabo
elektronskih naprav, ne da bi bile direktno prikljuene na elektrino omreje. Zaetki
baterij segajo nekje med 250 let p.n.š. do 250 let n.š. na podroje Mezopotamije. V
takratnih asih so bile baterije sestavljene iz bakra obdanega z elezom, vse skupaj pa je
izgledalo kot glinasta posoda ali vaza (glej sliko 1). (Barnett, 2017)
Slika 1: Bagdadska baterija
Alessandro Volta, po katerih imenujemo galvanski len baterije in standardno enoto za
napetost – volt. Odkritje delovanja baterij se je zgodilo takrat, ko je Volta z znanstvenim
preizkusom dokazal Galvaniju, da s pomojo elektrolitov med bakrom in elezom prihaja
do oksidacije in redukcije, pri emer pride do toka elektronov in posledino elektrine
energije. (»Kako deluje baterija?« [Raunalniške novice], 2018, 16. februar)
Poleg alkalnih baterij poznamo tudi sekundarne. To so tiste, ki jih lahko napolnimo in
uporabljamo brez povezave v elektrino omreje. Osredotoili se bomo na sekundarne,
saj se le-te uporabljajo v EV.
1.2.1. Svinene baterije s kislino
Kot nam e ime pove, se v teh baterijah uporablja svinec v kombinaciji s kislino. Elektrodi
sta sestavljeni iz svinca, medtem ko je kislina v elektrolitnem delu. Po monosti se lahko
doda kalcij (Ca), ki slui trdoti strukture v fazi polnjenja. Svinene baterije so med
najstarejšimi. (Bukhari, Maqsood, Baig, Ahraf & Khan, 2015).
1.2.2. Nikelj baterije
Obstajata dve podvrsti baterij z osnovnim elementom Ni. Prva je v kombinaciji s
kadmijem (NiCd), ki je bila izumljena leta 1989. Ta je od svinenih baterij s kislino boljša
zaradi absorpcije plinov, ki nastanejo ob izrabljanju elektrike v bateriji. Kasneje so
baterijo nadgradili še z ve aktivnimi snovmi v celici. Zaradi tega ima novejša razliica
60% ve kapacitete. Problem NiCd baterij je, da jih je za popoln izkoristek pred
polnjenjem potrebno izprazniti do konca, saj si v nasprotnem primeru baterija zapomni
nijo kapaciteto kot najnijo in tako pri vsaki nadaljnji uporabi prihaja do nekorišenja
preostanka energije od prejšnje uporabe. (»Pravilna uporaba NiMh baterij«[ebatt],
2017, 21. september). Takrat so se nikelj baterije uporabljale v prenosnih elektronskih
napravah. (Bukhari, et. al., 2015)
Druga vrsta baterije je v kombinaciji z elezom (NiMh). Dokler niso odkrili novejših
hidridnih zlitin, NiMh baterije niso veljale za napredek, potem pa so znatno zvišali
specifino energijo baterije. So tudi okolju bolj prijazne, saj ne vsebujejo strupenih kovin.
(Bukhari, et. al., 2015) Uporabljale so se v predmetih z višjo energijsko zahtevnostjo, kot
so svetilke, igrae, digitalni fotoaparati in podobnih napravah. Danes pa se v teh
napravah uporabljajo baterije z osnovo litija, ki jih bomo opisali v naslednjem
podpoglavju. (»Pravilna uporaba NiMh baterij«[ebatt], 2017, 21. september)
1.2.3 Litij ionske baterije
Litij ionske baterije (Li-ion) so se zaele prodajati leta 1990. So bolj dovršene kot nikelj
in svinene baterije, saj jih ni potrebno pred vsako napolnitvijo sprazniti do konca. Od
leta 1990 se omenjene baterije uporabljajo v elektronskih napravah, ker so visoko
uinkovite in trpene. Li-ion polimerne baterije se zaradi nije tee in visoke zmogljivosti
uporablja v satelitski in avtomobilski industriji. (Bukhari, et. al., 2015)
Na spodnji sliki imamo primerjalno tabelo o lastnostih baterij, ki smo jih opisali. Opazimo
lahko, da so Li-ion baterije boljše v skoraj vseh pogledih.
Slika 2: Primerjava lastnosti vrst baterij
Vir: »Comparison table of secondary batteries«[battery university], b. d.
1.3 Materiali potrebni za proizvodnjo baterij za EV
Kot smo ugotovili, se v EV uporabljajo Li-ion baterije, a se te med seboj lahko razlikujejo.
Do razlik prihaja pri materialih, iz katerih kombinacij kovin so sestavljeni aktivni elementi
baterij, katode in anode. To so litij (Li), kobalt, aluminij (Al), mangan (Mn), nikelj in svinec
(Pb), ki jih bomo opisali spodaj.
1.3.1 Litij
Litij je kljuna kovina v zmogljivejših akumulatorjih zaradi dveh lasntnosti. Poleg
zmonosti prenašanja visokih vrednosti energije ima najmanjšo atomsko relativno maso
med kovinami, in sicer v vrednosti 6,941. Prvo delo z litijem je omenjeno v letu 1912, a
se je le-ta zares zael uporabljati šele 60 let kasneje. Poleg avtomobilske industrije se
uporablja tudi v letalstvu, proizvodnji steklenih in keraminih izdelkov ter medicini.
(»The element lithium« [Jefferson Lab], b. d.)
Litij v baterijah igra kljuno vlogo, saj prenaša energijo. To pomeni, da ko je baterija v
polnem stanju, litijevi ioni potujejo iz negativne elektrode (anoda) do pozitivne
elektrode (katoda) in obratno pri polnjenju. Med tem zbiralec elektrinega naboja iz
litijevega iona pridobi energijo oziroma elektron. (Claus, 2008)
Tabela 1: Karakteristike litija
KLASIFIKACIJA ELEMENTA KOVINA
1.3.2 Kobalt
Za razliko od litija so kovino kobalt odkrili e mnogo prej, in sicer leta 1739. Pridobiva se
kot stranski produkt rudarjenja Ni in Cu. Uporablja se v li-ion baterijah kot material
katode, v magnetih, hitrih rezilih in v reaktivnih motorjih ter plinskih turbinah. Poleg
vsega omenjenega pa se, zanimivo, kobalt nahaja tudi v naših telesih, in sicer v vitaminu
B12.
Kobalt pride do izraza pri polnjenju baterije, ko spremeni svojo oksidacijsko stanje z
namenom, da oksid katode, iz katerega potuje pozitivni litijev ion proti anodi, ohrani
nevtralnost in s tem tudi zmonost porabe energije. (Clemens, 2018)
Tabela 2: Karakteristike kobalta
KLASIFIKACIJA ELEMENTA kovina
1.3.3 Aluminij
Aluminij je bil prvi proizveden pred priblino 170 let. Je eden od najbolj uporabljenih
elementov in predstavlja 8% zemljine skorje. V 100 letih smo proizvedli 29 milijonov te
kovine, od tega sedem milijonov reciklirane. Recikliranje aluminija je ekonomino, saj je
za ta proces potrebnih le 5% proizvodne energije, pri emer ni razlik v kvaliteti. Uporablja
se v alufoliji in elektrinih kablih ter v kombinaciji z drugimi elementi predvsem zaradi
njegove trdnosti in nizke tee. (»Introduction to aluminium and its alloys«[aalco], b. d.)
Tabela 3: Karakteristike aluminija
1.3.4. Mangan
Element mangan lahko zasledimo v vseh ivih organizmih. Uporabljali so ga e priblino
pred 30.000 leti v barvah, s katerimi so risali jamske poslikave. Kasneje pa je postal
uporaben tudi za odstranjevanje blede zelene barve naravnega stekla. Zaradi njegove
krhkosti se ne uporablja kot samostojna kovina, ampak kot zlitina v jeklu, kateremu daje
trdnost in odpornost proti uporabi. Mangan jeklo je zelo trda zlitina in se uporablja za
elezniško progo, sefe, oroje, in zaporniške rešetke. (»Manganese« [periodic table], b.
d.)
1.3.5 Nikelj
Uporaba niklja sega v obdobje 200 let pred našim štetjem, ko so ga uporabljali namesto
eleza, ker ne rjavi. Obe omenjeni kovini sta sestavna elementa meteoritov. Prvi je bil
proizveden kot samostojna kovina leta 1775. Torej glavna znailnost niklja je, da
prepreuje korozijo, tudi pri višjih temperaturah. Dodajajo ga ostalim kovinam z
namenom, da jih šiti in ohranja. Na primer, s tem razlogom se uporablja v elektrinih
peicah in toasterjih. (»Nickel« [periodic table], b. d.)
Tabela 5: Karakteristike niklja
1.3.6 Svinec
Svinec (Pb) so pridobivali e pred 6.000 leti v Peruju. Ve kot 2.000 let se je uporabljal
kot barvilo za slike, dokler niso Rimljani iz njega zaeli izdelovati vodovodno inštalacijo,
krste in kovance. Uporabljal se je tudi kot glazura, barva za lase in pesticid, a so ga iz teh
snovi izloili, ko so ugotovili, da škoduje zdravju. Danes se uporablja predvsem v
baterijah v vozilih na notranje izgorevanje ter EV, zašiti proti radiaciji, uteeh in municiji.
V Veliki Britaniji ga pridobijo kar 40% samo z reciklao baterij in cevi. (»Lead« [periodic
table], b.d.)
V Sloveniji podjetje TAB d.d. e od leta 1965 proizvaja razline vrste svinenih baterij iz
svinca pridobljenega v Rudniku Meica. Tam ima predelava svinca e ve kot 350-letno
tradicijo. TAB obratuje v treh moderno opremljenih tovarnah v Sloveniji s priblino 1.300
zaposlenimi. (»Osnovne informacije [TAB], b.d.)
Tabela 6: Karakteristike svinca
1.4 Vrste Li-ion celic
Poznamo ve vrst Li-ion baterij, ki se razlikujejo po sestavi celic, katerih glavni elementi
so lahko kovine, naštete zgoraj. V tem podpoglavju bomo opisali nekaj najpogostejših
primerov Li-ion celic.
1.4.1 Litij kobalt oksid (LiCoO2)-LCO
LCO ima visoko specifino energijo in kratko ivljenjsko dobo, zato se jih uporablja
predvsem v mobilnih telefonih, prenosnih raunalnikih in digitalnih kamerah. Glavna
kovina, ki je v vlogi katode je Co, medtem ko je na drugi strani grafit kot anoda. Poleg
kratke ivljenjske dobe so slabosti te celice tudi nizka termalna stabilnost in omejena
specifina mo. Vse kobaltove celice imajo grafitne anode, ki omejujejo ivljenjski cikel
s širjenjem zašitnega sloja ob grafitu in litiju pri hitrem polnjenju ter polnjenju pri nizkih
temperaturah. Pri novejših celicah, ki vsebujejo nikelj, mangan in/ali aluminij, teh teav
ni. Ta oblika baterije je med drajimi, in sicer zaradi velikega delea Co. (»Lithium Cobalt
Oxide(LiCoO2) — LCO« [Battery University], b.d.)
1.4.2 Litij mangan oksid (LiMn2O4) - LMO
Celica s kombinacijo Li in Mn ima zmonost hitrega polnjenja. Od prejšnjega tipa celice
se razlikuje tudi po strukturi, ki je v obliki kristala. Njena temperatura ne sme presei
80°C, zato lahko najvejo mo dosega le v asovnih pulzih. Li-Mn baterije imajo za
tretjino manjšo kapaciteto od Li-Co, vendar prav posebna oblika omogoa inenirjem,
da maksimizirajo ivljenjsko dobo, specifino mo ali specifino energijo. Torej, e ima
celica daljšo ivljenjsko dobo, pomeni, da ima manjšo kapaciteto. Li-Mn baterije se
uporabljajo v elektrinih orodjih, medicinskih pripomokih in EV. (»Lithium Manganese
Oxide(LiMn2O4) — LMO« [Battery University], b.d.)
1.4.3 Litij nikelj mangan kobalt oksid (LiNiMnCoO2) - NMC
Prav tako so NMC kot LMO celice sestavljene, da se jih uporablja bodisi kot napajalno ali
energijsko celico. Kombinacija kovin niklja, mangana in kobalta v katodi, se je izkazala za
zelo uspešno, saj lahko baterija dosee kapaciteto 2.800mAh pri toku od 4A do 5A ali pri
kapaciteti 2.000mAh konstantni tok 20A. Razlog za te lastnosti je medsebojno
dopolnjevanje Mn in Ni, pri katerem prvi tvori spinalno strukturo, s katero dosega nizko
notranjo odpornost, a pri nizki specifini energiji, drugi pa ravno obratno. NMC baterije
uporabljamo v elektrinih orodjih, kolesih in EV. Mone so razline kombinacije deleev
kovin. Sicer pa se zaradi redkosti Co in posledino visoke cene le-tega poasi izkljuuje iz
baterij in dodaja ve Ni, ki je po lastnostih boljši v gostoti energije, daljši ivljenjski dobi
ter seveda niji ceni, a tudi niji napetosti. (»Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide
(LiNiMnCoO2)-NMC« [Battery university], b.d.)
1.4.4 Litij nikelj kobalt aluminijev oksid (LiNiCoAlO2) – NCA
NCA je nadgradnja celice LCO. Z dodanim aluminijem ima baterija boljšo stabilnost. Sicer
ni najbolj varna in poceni, vendar ima prav tako kot NMC visoko specifino energijo in
mo ter dolgo ivljenjsko dobo. Uporablja se v medicinskih pripomokih, v razni industriji
in EV. Li-NCA se v zadnjih nekaj letih v avtomobilski industriji predvsem uporablja v
Panasonicovih baterijah in Teslinih EV. (»Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide
(LiNiCoAlO2) — NCA« [Battery university], b. d.)
1.4.5 Litij elezov fosfat (LiFePO4) – LFP
Fosfatna katoda pripomore k višjemu toku baterije, daljši ivljenjski dobi in varnosti. Je
bolj odporna pri višji napetosti in napolnjenem stanju kot ostale Li-ion baterije, a ima
zato nijo napetost. Je znailna po višji vrednosti samopraznjenja, ki se jo da zmanjšati z
uporabo kvalitetnejših celic in naprednejše krmilne elektronike, vendar za obutno višjo
ceno. LFP celice niso odporne na vlago, zato je zahtevna e pri sami proizvodnji. e pride
do stika z vlago se obutno zmanjša ivljenjska doba celice. (»Lithium Iron Phosphate
(LiFePO4) — LFP« [Battery university], b. d.)
V grafu 1 so prikazane primerjave baterijskih celic, ki smo jih opisali zgoraj, v specifini
energiji ter moi, varnosti, delovanju, ivljenjski dobi in ceni. Kot najboljša se je izkazala
LFP celica. Slabši izbiri sta LMO in LCO.
Graf 1: Primerjava baterijskih celic
Vir: Osebni vir
Prav zaradi postopnega uvajanja zelene mobilnosti se je število prikljunih elektrinih
vozil (PEV) v zadnjih letih mono poveevalo. Na sliki 3 so podatki o deleu PEV v obdobju
2014-2018 (glej sliko 3).
Slika 3: Graf rasti PEV v obdobju 2014-2018
Vir: »A year in review: The world electric vehicle market« [The beam], 9. maj 2019
0
20
40
60
80
Na sliki 4 lahko vidimo število prodanih PEV v letih 2017 in 2018 na 3 kontinentih. Najve
jih je bilo prodanih na Kitajskem v letu 2018, in sicer nekaj manj kot 1.200.000 vozil.
Sledita Evropa s 400.000 vozili in ZDA s 360.000 vozili. Na Kitajskem po številu prodanih
PEV prevladujejo podjetji BAIC in BYD, ki uporabljata enaki bateriji po sestavi, LFP in
NMC; sicer jih BAIC proizvaja samostojno, medtem ko jih BYD kupuje. V Evropi je na
prvem mestu zdruba Nissan-Renault-Mitsubishi, sledita ji BMW in VW. Prav vsi vodilni
proizvajalci PEV v Evropi uporabljajo isto kemijsko kombinacijo v baterijah, to so MNC
ter NCA. V ZDA Tesla in Toyota uporabljata isti tehnologiji kot v Evropi. (»A year in
review: The world electric vehicle market« [The beam], 2019; Pelegov & Pontes, 2018)
Iz katerih vrst baterij oziroma kombinacij kovin so sestavljeni drugi avtomobili, si lahko
ogledamo v prilogi 1. Ugotovimo, da z izjemo BYD-jeve LFP baterije, se v zeleni
avtomobilski industriji uporabljata veinoma NCA in NMC.
Slika 4: Število prodanih PEV na triših
Vir: »A year in review: The world electric vehicle market« [The beam], 2019, 9. maj
2 Posnetek obstojeega stanja in kritina analiza
V prejšnjem poglavju smo našteli kovine, ki so potrebne za proizvodnjo baterij v
elektrinih vozilih ter jih na kratko opisali. V tem poglavju bo v ospredju njihova
problematika, ki je v povezavi z dostopnostjo, zalogo in rezervo teh materialov ter kaj se
bo posledino dogajalo s cenami EV v prihodnosti.
2.1 Trenutno stanje redkih kovin
V spodnji tabeli so podatki o razmerju kovin, ki so potrebni za izdelavo treh tipov baterij
v elektrinih vozilih, in sicer LCO, NCA in NMC. Vsi podatki so v kg/kWh. Opazimo, da
prav vse vsebujejo Li in Co. Razmerje Li se ne spreminja drastino, medtem ko je najve
Co v LCO katodah in najmanj v NMC-811. e primerjamo razmerja Co in Ni ugotovimo,
da sta v sorazmerju. Ve kot je Co, manj je Ni in obratno.
Tabela 7: Elementi potrebni za izdelavo baterij v kg/kWh
Vir: Olivetti, Ceder, Gaustad & Fu, 2017, str. 231
Torej, e se v nadaljevanju osredotoimo na Li in Co, lahko v prilogi 2 ugotovimo, da sta
prav ta dva elementa med najbolj kritinimi v smislu izrabljenosti. Seveda Li kot glavna
sestavina Li-ion baterij, Co pa kot kljuen pri uinkoviti porabi energije. Rezerve kovin se
ocenjuje na 7 Mt za Co in 14 za Li. V letu 2016 so pridobili 37.800 t Li ter 123.000 t Co.
Slednji se v 30% deleu uporablja za Li-ion baterije, prvi pa v 39%. Kakorkoli, Co je
ocenjen kot kritina kovina e danes, medtem ko Li zaenkrat še ne. Torej, zaloga Li je
zmona zadovoljiti povpraševanje, vsaj tako je videti na pogled.
2.1.1 Problematika litija
Li se lahko pridobiva na ve nainov. Prvi najbolj razširjen nain pridobivanja je s
pomojo izhlapevanja slanih jezer. V tem primeru se litijeva slanica koncentrira, odstrani
se umazanija in doda soda (natrijev karbonat), ki povzroi spremembo agregatnega
stanja v trdno. Snov se filtrira ter oisti in tako dobimo element Li. Drugi nain
pridobivanja Li je z rudarjenjem, ki je draji od prvega. Potencialen nov nain
pridobivanja Li naj bi bil iz morske vode. Veino Li iz slanih jezer pridobijo na podroju
June Amerike. Veliko ga izvozijo v Azijo, ki velja za najvejo porabnico tega elementa s
50% deleem, medtem ko ga sami pridobijo le 7%. Torej, problematika Li se ne kae v
zadostni zalogi glede na povpraševanje, ampak v hitri proizvodnji in dostavi. Od leta
2010 in do 2014 se je poraba Li-ion baterij poveala za kar 73%, medtem ko proizvodnja
za 28%. Na sliki 5 so razvidni globalni premiki Li, kjer rdea rta oznauje izvoz omenjene
kovine, zelena uvoz, debelina rte pa koliino. (Olivetti, et al., 2017)
Slika 5: Uvoz in izvoz Li
Vir: Olivetti, et al., 2017, str. 235
Kot je navedeno v McKinseyjevem poroilu, je glede na podatke iz leta 2017 ocenjeno
razmerje med zalogo in povpraševanjem pozitivno kljub le 50% izkoristku proizvodnje v
letu 2017. Razlog za to so številni projekti za veanje proizvodnje v Argentini, ilu in
Avstraliji. (Azevedo, Et. Al., 2018)
Prav zaradi veanja proizvodnih obratov pa se priakuje tudi dvig cene Li v letu 2025, iz
ocenjene od $7.000 do $8.000/t na $8.500 do $11.500/t, kar je še vedno nije od
povprene cene iz leta 2017, $19.500/t. Do leta 2025 se obeta zdrav razvoj v proizvodnji
Li, ki bo utemeljen s pomojo mone rasti povpraševanja. (Azevedo, Et. Al., 2018)
Na sliki 6 lahko vidimo primerjavo zaloge in povpraševanja Li v letu 2017 in 2025. Zaloga
litija je bila v letu 2017 enaka 447 Kt, medtem ko je ocenjena vrednost za leto 2025 okoli
1.206 Kt, kar naj bi zadostovalo za ocenjeno povpraševanje v istem letu, ki naj bi bilo
okoli 893 Kt Li.
Slika 6: Razmerje povpraševanja in zaloge Li v letih 2017 in 2025
Vir: Azevedo, Et. Al., 2018, str. 12
2.1.2 Problematika kobalta
Problematika kobalta je nekoliko drugana. Pridobivanje te kovine je odvisno od
proizvodnje Cu in Ni, saj Co nastane kot stranski produkt teh dveh kovin. Natanneje, po
podatkih iz leta 2015, naj bi polovica proizvodnje Co pripadalo industriji Ni, 35% Cu, 9%
platinasti skupini kovin in le 6% samostojni proizvodnji Co. Kobalt se iz litijevih rud
pridobiva na dva naina, in sicer z izpiranjem ter taljenjem litijevih sulfidnih rud. V obeh
primerih je razmerje med Li in Co deset proti ena. Pridobivanje Co iz Cu je trenutno
geografsko omejeno na rudnike iz Demokratske republike Kongo (DRK) v Afriki, in sicer
kar 50% svetovne proizvodnje. Razlog za omejenost je visoka koncentracija Co, in sicer
0,3%. V letu 2016 so v rudniku Mutanda v DRC proizvedli 25 kt kobalta. Na sliki 7 lahko
opazimo premike Co iz DRK v Azijo. Pomen simbolov je enak kot pri prejšnji sliki. (Olivetti,
et al., 2017)
Vir: Olivetti, et al., 2017, str. 235
Problem izvoza Co ni le v odvisnosti od Ni in Cu ampak tudi od DRK kot drave in njene
politine nestabilnosti. V preteklosti so cene kobalta zaradi tega e poskoile, in sicer v
70. letih prejšnjega stoletja. Na sliki 8 lahko opazimo ta poskok cen iz priblino 25 $/kg
na 225 $/kg. Razlog za podraitev je bila zaasna ustavitev izvoza te kovine iz DRK in
veanje povpraševanja. Z rdeo rto je oznaen padec cene, ki je odraz vkljuitve Co v
londonsko blagovno in terminsko borzo (LME). (Olivetti, et al., 2017)
Slika 8: Cena Co
Poleg politine nestabilnosti so zaskrbljujoe tudi delovne razmere v rudnikih DRK. Tam
naj bi delalo okoli 35.000 otrok brez primerne delovne opreme in varnosti za manj kot
2$ na dan. Leta 2018 je organizacija Amnesty International, ki se bori za lovekove
pravice po vsem svetu, stopila v kontakt z nekaterimi vejimi proizvajalci vozil z
namenom, da identificira njihove dobavitelje kobalta. Odzvala so se le tri podjetja, med
njimi BMW, ki si je zadal cilj, da bo za naslednjo generacijo baterije v letu 2020 kobalt
pridobival izkljuno iz Avstralije in Maroka, kjer delovni pogoji izpolnjujejo njihove
standarde. Lauren Armistead kot aktivistka na tem podroju poudarja, da je dobava
kobalta v drugih dravah le zaasna rešitev oziroma ignoriranje problema. Ne le, da je
ve kot polovica svetovnega izvoza te kovine iz DRK, ampak je hkrati tudi glavni vir
dohodka ljudstva, ki tam ivi. (Gordon, 2019)
Iz McKinseyjevega poroila smo razbrali, da se bo razmerje med povpraševanjem in
zalogo Co v letu 2025 gibalo okoli 0 (glej sliko 9). Kljub projektom, ki so v teku v DRK in
nekaj planiranih na drugih kontinentih ter recikliranju, zaloga ne bo presegla
povpraševanja. Trg pomembne kovine se bo le še bolj centraliziral v DRK, in sicer na kar
75% svetovne proizvodnje. Glede na delovne razmere, ki smo jih omenili prej, to ne kae
na stabilen trg Co v prihodnosti, zato v poroilu ni navedenih ugibanj glede cene kovine
v prihodnosti. Ocenjujejo le še vejo odvisnost Co od Cu in Ni, ki naj bi bila 95% in porast
cen le-teh. (Azevedo, Et. Al., 2018)
Na spodnji sliki vidimo ocenjeno povpraševanje in zalogo za leto 2025, ki naj bi bila na
osnovni ravni 222 Kt in 250 Kt. V primeru agresivnejšega razpleta, ki pomeni še ve EV v
prihodnosti, pa naj bi bilo povpraševanje 272 Kt, kar je ve od ocenjene zaloge.
Slika 9: Razmerje povpraševanja in zaloge Co v letih 2017 in 2025
Vir: Azevedo, Et. Al., 2018, str. 14
2.2 Poraba svinca
Svinene baterije se uporabljajo kot akumulator v vozilih na notranje izgorevanje. Z
uvajanjem elektrinih vozil, ki jih poganjajo Li-ion baterije, bi priakovali padec porabe
svinca, a ni tako. Svinene baterije se uporabljajo tudi v EV kot napajalnik za vse
nepogonske komponente. V zadnjih letih so predvsem v Aziji popularni tudi elektrini
motorji in tricikli. V Indiji za javni prevoz uporabljajo veliko triciklov imenovanih rikše
(slika 10), ki bazirajo na svinenih baterijah predvsem zaradi njihove nizke cene. (»How
the electric car market will affect the lead demand?« [1AK-group], 2019).
eprav Pb ni na seznamu redkih kovin, se bo v prihodnosti zagotovo veliko uporabljal.
Slika 10: Rikša
2.3 Cene EV v prihodnosti
Ve poroil v ZDA nakazuje znianje cen EV. Veliko proizvajalcev vozil ima v svojem
proizvodnem planu vedno ve EV, zato bi se ob ustrezni kemijski sestavi baterije, cene
EV morale znievati. Na sliki 11 vidimo predvidene cene vozil v $/kWh iz razlinih poroil,
ki so navedena na desni strani v legendi. (Lutsey, & Nicholas, 2019)
Slika 11: Razlina poroila o cenah EV v prihodnosti
Vir: Lutsey, N., Et. Al. , 2019, str. 3
Najpogostejša oblika Li-ion baterije naj bi bila bazirana na celici NMC 6-2-2, ki po tabeli
7 vsebuje manj Co in ve Ni, kar je seveda dober znak za nije in stabilnejše cene EV,
glede na opisano problematiko Co. Do leta 2025 naj bi strošek baterije vozila Chevrolet
Bolt, najdraje komponente EV, padel iz 11.500 na 8.000 ameriških dolarjev, kar je le še
za 1.200 dolarjev draje od pogonskega sklopa konvencionalnega vozila. V primerjavi teh
tipov vozil priakujemo stroške v prid EV, e upoštevamo posredne stroške ter stroške
sestavljanja vozila, ki naj bi se zmanjšali zaradi optimizacije proizvodnje EV. (Lutsey, N.,
et. al., 2019)
Še preden bodo cene EV primerljive vozilom na notranje izgorevanje, bodo zelena vozila
nekaterim kupcem prva izbira. Razlog za to je v prihranku stroška goriva, kar pripomore
k nijim stroškom vzdrevanja EV, ki so primerljivi s stroški vzdrevanja konvencionalnih
vozil. Na sliki 12 je pariteta stroškov treh razlinih oblik elektrinih in konvencionalnih
vozil. Z zelenim trikotnikom je oznaena enakost stroškov vzdrevanja vozila, e ga
vzdrujemo vsaj pet let, saj se nam v tem asu povrne strošek goriva. Z modrim
kvadratom je oznaena pariteta zaetnih stroškov. V analizo je vkljuen tudi primer, e
se bodo baterije še bolj pocenile, kar pomeni, da se as do paritete stroškov zmanjša za
priblino eno leto. Iz slike lahko razberemo, da se bodo EV postopoma cenila glede na
tip vozila, in sicer od cenejšega do drajega. Na primer EV z dosegom 150 mi se bo lahko
cenovno primerjalo s konvencionalnim vozilom nekje okoli leta 2024, medtem ko enako
vozilo s 100 mi daljšim dosegom okoli leta 2027. (Lutsey, N., et. al., 2019)
Slika 12: Pariteta stroškov elektrinih in konvencionalnih vozil
Vir: Lutsey, N., Et. Al. , 2019, str. 11
2.4 Kritina analiza
Proizvajanje EV ni enostavno. Poleg zapletenih številnih procesov, ki zahtevajo
visokokakovostno tehnologijo, takšna proizvodnja vsebuje tudi razdrobljeno
oskrbovalno verigo. V našem primeru je problem centraliziranost oskrbovalne verige na
dravo DRK.
Ugotovili smo, da je najbolj ogroena kovina kobalt, ki je zaradi svojih lastnosti kljuen
del zmogljive Li-ion baterije. Problematika pridobivanja kobalta je njegova odvisnost od
drugih elementov, kot sta nikelj in baker ter geografske pozicije rud, katerih veina lei
na socialno-politino ogroenem obmoju Demokratske Republike Kongo. Ker lahko
pride do nihanja cen ali celo zrušitve trga kovin in posledino EV, je rešitev nujno
potrebna. Omejevanje nabave surovin na druga podroja bi lahko bila rešitev, saj bi s
tem prisilili dobavitelje k vzpostavitvi standardov, ki bi zadostovali za nadaljnjo
poslovanje, a tak razplet v politino ogroeni dravi ni nujen, zato je potrebno poiskati
tudi druge rešitve.
3 Predlogi izboljšav
V zadnjem poglavju bomo opisali nekaj novejših tehnologij, ki bi v prihodnosti lahko
doprinesle k boljši in bolj ekonomini uporabi baterij v EV. To so alternativne baterije,
recikliranje baterij, globokomorsko rudarjenje in nanotehnologija. Poudarili bomo tudi
potrebne izboljšave na podroju EU.
3.1 Izboljšave na podroju EU
Evropa je v primerjavi z ostalimi kontinenti majhna, vendar sode po ocenah bogata s
surovinami potrebnimi za izdelavo baterij v EV. Izboljšave v EU so kljune za nemoten
prehod na alternativna goriva.
3.1.1 Pridobivanje znanja o baterijskih surovinah
Prvi, vendar zelo pomemben korak k izboljšavam v industriji EV, je pridobivanje novega
znanja. Aurni in resnini podatki so pomembni za vzpostavitev mone ter fleksibilne
oskrbovalne verige. Veina podatkov iz tega podroja je nedostopnih, zaupnih ali pa
temeljijo na presoji strokovnjakov. Potrebni so standardizirani podatki, ki bi jih lahko
primerjali in integrirali. Kot primer lahko vzamemo mednarodno veljavno shemo za
razvršanje in poroanje o energiji in mineralnih virih – Okvirna klasifikacija za vire
Zdruenih narodov. (»Report on Raw Materials for Battery Applications« [European
Commission], 2018)
3.1.2 Veanje proizvodnje
Evropa je preve odvisna od pridobivanja surovin iz tretjih drav. Kljub dominanci drav
DRK, Kitajske in nekaterih ameriških drav, bi Evropa morala bolje izkoristiti svoj
potencial kljunih surovin. Problem se navezuje na predhodno omenjeno
primanjkovanje znanja in informacij. Glavne ovire so pomanjkanje geoloških podatkov,
potrebnih za odkrivanje globljih nahajališ kovin ter teavni dostopi do e znanih, in sicer
zaradi slabega nartovanja rabe zemljiš in rudarjenja. Pridobitev manjkajoih podatkov
je nujna za postopke izdaje dovoljenj za odpiranja in širjenja proizvodnih obratov
baterijskih surovin. (»Report on Raw Materials for Battery Applications« [European
Commission], 2018)
Da bi lahko zadovoljili priakovani dvig povpraševanja v avtomobilski industriji, je
potrebno poveati zmogljivost baterij, ki se uporabljajo v EV. Trenutne Li-ion baterije
imajo zaenkrat potencial, da ostanejo glavna pogonska komponenta EV, kljub temu pa
se na temu podroju vseskozi razvijajo novejše baterijske tehnologije, ki jih bomo opisali
spodaj. (»Future battery possibilities« [derlab], b. d.)
3.2.1 Li-ion baterije
Leta 2016 so raziskovalci iz Univerze v Kaliforniji odkrili, da lahko s pomojo zlata
naredijo prevleko za nanodelce v bateriji. Krhke materiale bi tako zamenjali bolj
fleksibilni in odporni, kar bi bateriji omogoilo daljšo ivljenjsko dobo brez izgube
kapacitete in moi. (»Future battery possibilities« [derlab], b. d.)
3.2.2 Litij elezove baterije
LiM baterije imajo namesto karbonskih anod, kot smo navajeni pri Li-ion baterijah,
elezove anode, ki dajo bateriji veliko ve kapacitete. Teava LiM baterij je bila v varnosti,
kar pa je ameriškemu startup podjetju Pellion Technologies uspelo odpraviti. Z
druganim dizajnom baterije so rešili problem visoke reaktivnosti, natanneje, baterija
se zane polniti šele takrat, ko je popolnoma nedostopna zunanjemu okolju. Baterija še
vedno ni pripravljena za avtomobilski trg, saj se dolgo polni in ne zdri veliko ciklov.
(»Future battery possibilities« [derlab], b. d.)
3.2.3 Trdne Li-ion baterije
Trdne Li-ion baterije se od trenutnih Li-ion razlikujejo po tem, da se še hitreje polnijo,
imajo dobro odpornost na segrevanje in ve prostora za celice. So zelo zmogljive,
napolnijo ali izpraznijo se lahko v sedmih minutah. Teave nastopijo pri masovni
proizvodnji. (»Future battery possibilities« [derlab], b. d.)
3.2.4 Grafitne baterije
Podobne so kot trdne Li-ion baterije, a še zmogljivejše. Zaradi velike površine grafita,
fleksibilnosti in nizke mase grafitne baterije delujejo zelo uspešno. V primerjavi z Li-ion
baterijami se napolnijo in izpraznijo 33-krat hitreje. (»Future battery possibilities«
[derlab], b. d.)
3.2.5 Aluminijaste zrane baterije
e v letu 2014 je EV uspelo dosei 1.000 mi brez vmesnega polnjenja. Razlog za to je Al
zrana baterija, ki s pomojo kisika, ki ga spuša v baterijo, naredi baterijo lajo. A tudi
ta tehnologija še ni dovršena. Teava takšnih baterij je v tem, da je prepogosto potrebna
menjava baterije. (»Future battery possibilities« [derlab], b. d.)
3.2.6 Litij mangan baterije
Mangan se sicer v baterijah e uporablja, ampak v manjših koliinah. V laboratoriju
Univerze v Kaliforniji so razvili baterijo, ki za osnovo katode uporablja Mn. To se je
izkazalo za boljšo kombinacijo kot tista z Ni in Co. Mangan je do sedaj veljal za nestabilno
kovino v bateriji, kar je posledino pomenilo manj kapacitete zaradi izgub pri polnjenju,
a je Cederjeva ekipa našla nain, da to preprei. Rezultat se kae v veji gostoti energije.
Kljub vsemu bodo še potrebne raziskave v stabilnosti ciklov. Pred komercialno uporabo
bo potrebno zniati napetost celice, kar lahko povzroi teave baterije v elektronskih
napravah, a ne v EV. (Urquhart, 2018)
3.3. Recikliranje baterij
V elektrinih vozilih se uporabljajo Li-ion baterije, za katere še nimamo vzpostavljenega
reciklanega sistema. eprav so Li-ion baterije manj škodljive okolju, jih je zaradi
zapletene strukture, teko reciklirati. Recikliranje baterij bo v prihodnosti v avtomobilski
industriji zelo pomembno, saj s tem procesom pridobimo prav tako okoljske in
ekonomske koristi. Poleg zmanjšanja onesnaevanja, ki nastane pri rudarjenju redkih
kovin, predvsem bakru, niklju in kobaltu, zmanjšamo pridobivanje pomembnih kovin iz
omejenih zalog. Pri recikliranju na raconalni ravni, zmanjšujemo uvoz redkih kovin, s
imer izboljšamo plailno bilanco. Sicer ima recikliranje tudi negativni vpliv na okolje, a
je v veini primerov manjši kot pri sami proizvodnji. (Gaines, 2014)
Po uspešni reciklai kovin iz baterije nastane nova teava glede ponovne uporabe le-teh,
saj imajo kratko ivljenjsko dobo in se relativno hitro obrabijo ter postanejo neuporabne,
vsaj za visokoenergijske sisteme, kot so EV in elektronske naprave. Zato poskušajo
rabljene kovine uporabiti v drugih aplikacijah, kar ima pozitivne ekonomske in
okoljevarstvene posledice, a kljub temu privede do novih teav. Prvi, rabljenih kovin ne
moremo uporabiti v vsakem baterijskem sistemu in drugi, e je rabljena kovina
kompatibilna in slui svoji funkciji, je potrebno opraviti ve testiranj. Zato lahko
recikliranje baterij hitro postane draje od proizvajanja novih. Tudi proizvajalci baterij so
izrazili svoje mnenje da, etudi pri sekundarni rabi baterij v drugih sistemih uradno niso
ve odgovorni za posledice, je pri le-teh velika verjetnost neustreznega in posledino
nevarnega delovanja elektronske naprave, kar lahko privede do negativnega javnega
mnenja. (Olivetti, et al., 2017)
Recikliranje v EU je kljub visokemu deleu tega procesa pri Ni (34%) in Co (68%) še vedno
slabo izkorišeno. Predelovanje Li je sicer izvedljivo, a iz ekonomskega vidika ni smotrno.
Zato si EU pomaga z nadomestljivimi kovinami. Pri primeru menjave Co in Ni smo
omejeni na tip baterije, medtem ko je menjava Li in grafita draja. (»Report on Raw
Materials for Battery Applications« [European Commission], 2018)
Na koncu ivljenjske dobe baterij obstaja hierarhino zaporedje monih scenarijev
(Olivetti, et al., 2017) :
2. Kaskadna uporaba (ponovna uporaba v drugi vrsti aplikacije)
3. Predelava ali prenova
4. Recikliranje
5. Odlaganje
Spodaj si bomo ogledali primera recikliranja baterij, ki so e nekaj asa v uporabi, sicer
ne za Li-ion baterije, a bi se lahko uporabila kot osnovo za razvijanje sistema recikliranja
za novejše baterije.
3.3.1 Recikliranje svinenih baterij
Za svinene baterije velja, da se jih reciklira najbolj pogosto med obiajnimi
potrošniškimi produkti. Pri temu procesu so uspešni predvsem v Evropi in na Japonskem,
zlasti pa v ZDA, kjer dosegajo kar 99 procentno reciklao pri omenjenih baterijah. V manj
razvitih dravah se je v preteklosti beleilo izkorišanje otrok pri teh procesih ob slabih
in neustreznih pogojih, kjer je prišlo do tega, da so svinene kisline izlivali v vir pitne
vode. Do danes so veino takšnih primerov omejili. (Gaines, 2014)
Recikliranje svinenih baterij je urejen s pomojo povratne logistike, pri emer
transportno sredstvo, ki dostavlja nove baterije, prav tako odpelje rabljene. Reciklira se
ve vrst materiala. Najprej se razdre plastino ogrodje iz katere se pridobi in izsuši
elektrolit z veplovo kislino. Odstrani se prikljuke, katere se lahko ponovno uporabi.
Izsušeno baterijo se nato loi od svinca ter s pomojo kladiva zmanjša. Svinec in plastiko
se pretopi in pripravi za ponovno uporabo v novih svinenih baterijah. Kislino se
nevtralizira ali procesira za novo uporabo v istilnem milu. (Gaines, 2014)
Glavni razlog za uspešno recikliranje svinenih baterij je visoka kakovost recikliranega
svinca in standardizacija baterij. Vsi proizvajalci svinenih baterij uporabljajo enake
surovine, kar omogoa avtomatsko recikliranje. (Gaines, 2014)
3.3.2. Recikliranje Ni-MH baterij
Recikliranje Ni-MH baterij se tudi uporablja v avtomobilski industriji, saj so bile te vrste
baterij prisotne v nekaterih hibrdinih vozilih, ki so e odsluile svoje delovanje. Sistem je
bil e postavljen na osnovi recikliranja takšnih baterij iz manjših naprav. Nickelj in elezo
sta odstranjenja skupaj in se jih ne louje, saj se ju uporabi za proizvodnjo nerjaveega
jekla. Pri uporabi takšne tehnike recikliranja se ne izkoristi redkih kovin v kovinskem
hidridu, saj se jih uporabi kot jalovino, ki se uporablja pri gradnji cest. Kitajska je omejila
izvoz redkih kovin, zato se pri recikliranju baterij spodbuja pridobivanje teh kovin. Ve
podtjetji je naznanilo recikliranje redkih kovin iz Ni-MH baterij. Belgijski Umicore iz starih
baterij pridobiva nikelj, hkrati pa ima dogovor s Solvay, da procesira jalovino iz katere
pridobi druge redke kovine. Retriev Technologies gradijo objekt za recikliranje redkih
kovin. Honda ima dogovor z Japonsko, da reciklira njihove baterije. Avstralska Toyota
nudi 100 dolarjev ob vrnitvi Priusove baterije in popust pri menjavi za novo. (Gaines,
2014)
Recikliranje Li-ion baterij je bolj zapleteno od recikliranja svinenih ali Ni-MH baterij. Li-
ion baterije imajo kompleksnejšo strukturo, kar naredi reciklao drajo in bolj
onesnaujoo. Li-ion baterije ima za 100 ali ve celic, v primeru Tesle 5000, od svinenih
baterij. (Gaines, 2014)
Ena izmed monih tehnik recikliranja Li-ion baterij je taljenje. Pri takšnemu recikliranju s
seiganjem plastike in elektrolita pridobimo energijo za taljenje, s imer pridobimo
zlitine bakra, kobalta, niklja in eleza, iz katere s pomojo izpiranja pridobimo iste
omenjene kovine. (Gaines, 2014)
Poleg taljenja, se uporablja tehnika vmesnega recikliranja, ki je razširjena v Kanadi. Pri
tej tehniki se bateriji zmanjša velikost in loi kovine od plastike s pomojo mize za
stresanje. Obe omenjeni tehniki sta ekonomski le v primeru baterij, pri katerih se za
katodo uporablja kobalt in/ali nikelj. (Gaines, 2014)
Zadnja tehnika je direktno recikliranje, ki je bila preizkušena na ve razlinih Li-ionskih
baterijah. Pri tej tehniki se reciklirane kovine lahko brez ali z malo dodatnih procesov,
vstavijo v oskrbovalno verigo baterij. Razdrte baterijske celice se zaprejo v kontejner
napolnjen s CO2. Dvigne se tlak in temperatura z namenom, da CO2 loi elektrolit od
celice. Elektrolit se nato loi od CO2 in se ga, e se izae za ekonomino, ponovno uporabi
v baterijah. Celicam se zmanjša velikost brez uporabe vode ali kisika, da ne pride do
onesnaevanja. Prednost zadnje tehnike je, da se povrnejo skoraj vsi materiali, ki se jih
lahko z manjšimi procesi ponovno uporabi. Zaenkrat so še vprašljive kakovosti
recikliranih materialov, zato se jih proizvajalci tudi izogibajo. (Gaines, 2014)
3.4 Globokomorsko rudarjenje
Ena od potencialnih novejših tehnologij rudarjenja je globokomorsko rudarjenje, ki
zagotavlja zanesljivo oskrbo in zapolnjuje vrzeli na trgih. Trenutno ta proces še ni
razširjen, ker je naše znanje o globokomorskem okolju pomanjkljivo. S strani Evropske
Unije (EU) je bilo naroenih ve preiskav, da se ugotovijo posledice te vrste rudarjenja.
(»Globokomorsko rudarjenje« [integrirana pomorska politika], b. d.)
Prvi poskusi takšnega rudarjenja so se pojavili e med letoma 1960 in 1970, a se je do
leta 1984 vse skupaj konalo le z investicijo v višini 650 milijonov ameriških dolarjev in
razpadom trga kovin. Kljub temu so se kasneje razvile številne organizacije (Glasby,
2000). Leta 2017 je Global Sea Mineral Resources (GSR) testirala svoj stroj Patania 1, ki
je kot prvi lahko zbiral podatke o morskem dnu na globini do 4,5 km. Konec leta 2018 pa
so izumili e posodobljeno razliico stroja, Patania 2, ki za razliko od predhodnika lahko
rudari po morskem dnu. Po zadnjih podatkih do testiranja še ni prišlo, saj se jim je
poškodoval pet km dolg elektrini kabel, ki povezuje plovilo in stroj. (Davies, 2019)
3.5 Nanotehnologija
Nanotehnologija je znanost, ineniring in tehnologija, ki se izvaja na nanodelcu, ki meri
od 1 do 100 nanometrov. Nanotehnologijo se lahko uporablja v sodelovanju z
znanostmi, kot so kemija, biologija, fizika, strojništvo in druge. Cilj inenirja, ki se ukvarja
s to znanostjo, je, da naredi material v merilu nanometra in s tem le-ta pridobi na
lastnostih, kot so veja mo, nija masa in boljša kemina reakcija. (»What is
nanotechnology?« [National Nanotechnology Initiative], b. d.)
Nanodelce bi se v Li-ion baterijah lahko uporabljalo v anodi in katodi. Za pozitivno
elektrodo bi lahko uporabili nanostrukturno celico iz litija, mangana in silika (Li2MnSiO4),
ki bi pripomogla k elektrokeminemu delovanju baterije. Ko nanodelec prekrije plast
ogljika, le-ta deluje kot kolektor toka in s tem zagotavlja hitro elektronsko prevodnost
baterije. Z nanodelci se tudi poveuje prostor za interakcijo med elektroliti in
elektrodama. Namesto standardne grafitne anode bi se lahko uporabljal nanostrukturni
titanov dioksid (TiO2). Poleg njegove nizke cene bi s svojimi lastnostmi bateriji doprinesel
strukturno stabilnost, visoko napetost pri praznjenju, prijaznost okolju in vejo varnost.
(Deshpande, et. al., 2017)
Zakljuek
Ocena in vrednotenje uspešnosti rešitve problema
Najbolj aktualna rešitev, ki jo deloma proizvajalci EV e upoštevajo, je uporaba druge
kovine, ki lahko nadomesti ogroeno ter s tem ne vpliva na kvaliteto konnega izdelka;
v temu primeru je to kovina nikelj. Z veanjem proizvodnje te kovine bi se posledino
dvignila tudi proizvodnja kobalta, saj se ga med drugim iz le-te pridobiva. Monosti so
tudi v drugih alternativnih baterijah, ki zaenkrat še niso na voljo v komercialni uporabi,
saj so postopki vpeljavitve novih tehnologij na temu podroju dolgotrajni. Problem
nezadostne zaloge bi lahko omilili s procesom recikliranja, ki ima pozitiven uinek tudi
na okolje, a je zaenkrat še predrag proces. Problem recikliranja je tudi to, da so trenutne
baterije, ki se uporabljajo v EV, v konstantnem razvoju, kar pomeni, da se vseskozi
kemijske lastnosti baterij spreminjajo, zato je teko vzpostaviti in razviti dober sistem za
recikliranje. Eden od potencialnih nainov dviga zaloge bi bilo globokomorsko
rudarjenje, a tudi pred vpeljavitvijo le-tega mora stei veliko procesov in sprejetih pravil
o varnosti takega naina rudarjenja, zlasti zaradi pomanjkanja znanja o morskem okolju
in morebitnih negativnih posledicah. Baterije bi se lahko izdelovalo s pomojo
nanotehnologije, pri kateri ne bi uporabili redkih kovin, kljub temu pa bi obutno
izboljšali delovanje baterij.
V spodnji tabeli so asovni okvirji za posamezno izboljšavo. V najkrajšem asu se bodo
izboljšale baterije, saj na temu podroju strokovnjaki vseskozi razvijajo nove kemijske
kombinacije surovin. Po sestavi optimalne baterije se bo lahko zaelo graditi na
enotnemu sistemu recikliranja. Nekoliko kasneje, saj sta tudi najmlajši tehnologiji, pa se
bosta razvili tudi nanotehnologija in globokomorsko rudarjenje.
Tabela 7: Tabela asovnih okvirjev izboljšav
IZBOLJŠAVA ASOVNI OKVIR
Nanotehnologija 10 – 20 let
Vir: Osebni vir
Monost nadaljnjega razvoja
Ob rešitvi problema se odpira monost nadaljnjega razvoja, ne samo v osrednji tematiki,
temve tudi drugod. Poleg razvoja baterij z nanotehnologijo bi korak v enaki smeri storili
z recikliranjem in s tem prispevali k varstvu okolja. Z veanjem proizvodnje EV se kopiijo
tudi take vrste odpadki, za katero trenutno še ni vzpostavljena dovolj uinkovita
povratna logistika ali proces, ki bi zmanjševal negativni vpliv na okolje.
Seznam literature in virov
A year in review: The world electric vehicle market [The beam]. (2019, 9. maj). Najdeno
14. julija 2019 na spletnem naslovu https://cleantechnica.com/2019/05/09/a-
year-in-review-the-electric-vehicle-market/
Altaher, M. (2016, 12. januar). Who stole the Mysterious Baghdad Battery? Najdeno 19.
novembra 2019 na spletnem naslovu
https://www.iraqicivilsociety.org/archives/4946
Alther, M. (2016, 12. januar). Who Stole the Mysterious Baghdad Battery? Najdeno 14.
junija na spletnem naslovu https://www.iraqicivilsociety.org/archives/4946
Aluminium [periodic table]. Najdeno 23. junija 2019 na spletnem naslovu
http://www.rsc.org/periodic-table/element/13/aluminium
Barnett, J. G. (2017). Vehicle Battery Fires: Why They Happen and How they Happen.
Najdeno 14. junija 2019 na spletnem naslovu
https://login.ezproxy.lib.ukm.si/login?url=http://search.ebscohost.com/login.asp
x?direct=true&db=e000xww&AN=1879540&lang=sl&site=eds-
live&ebv=EB&ppid=pp_xiii
Bukhari, S. M. A. S., Maqsood, J., Baig. M. Q., Ahraf, S. & Khan, T. A. (2015). Comparison
of Characteristics - Lead Acid, Nickel Based, Lead Crystal and Lithium Based
Batteries. Najdeno 15. junija 2019 na spletnem naslovu https://ieeexplore-ieee-
org.ezproxy.lib.ukm.si/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7576583&tag=1
Claus, D. (2008, september). Materials and Processing for Lithium-ion Batteries. Najdeno
26. junija 2019 na spletnem naslovu
https://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0809/daniel-0809.html
Clemens, K. (2018, 22. marec). Understanding the role of cobalt in batteries. Najdeno 26.
junija 2019 na spletnem naslovu https://www.designnews.com/electronics-
test/understanding-role-cobalt-batteries/63068579258429
Comparison table of secondary batteries [battery university]. Najdeno 17. junija 2019 na
spletnem naslovu
https://batteryuniversity.com/learn/article/secondary_batteries
Davies, R. (2019, 21. avgust). A modern Eldorado: deep sea mining at the Clarion
Clipperton Zone. Najdeno 27. avgusta 2019 na spletnem naslovu
https://www.mining-technology.com/features/a-modern-eldorado-deep-sea-
mining-at-the-clarion-clipperton-zone/
Deshpande, V. S., Talele, M. N. (2017). Nanotechnology enabled hybrid power system
suitable for batteries in hybrid electric vehicle. Najdeno 27. avgusta 2019 na
spletnem naslovu https://ieeexplore-ieee-
org.ezproxy.lib.ukm.si/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7972378
e-Rikša v Kranju [radio-kranj]. (2017, 20. september). Najdeno 11. avgusta 2019 na
spletnem naslovu http://www.radio-kranj.si/6861
Future battery possibilities [derlab]. Najdeno 25. avgusta 2019 na spletnem naslovu
https://der-lab.net/future-battery-possibilities/
Gaines, L. (2014, 15. november). The future of automotive lithium-ion battery recycling:
Charting a sustainable course. Najdeno 19. oktobra 2019 na spletnem naslovu
https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S2214993714000037?token=827F717
BFF50EDC964DE0257DDA03FF8DC8F7AE793993DF5AA1EAAA450A792F5A6DE78
8D348E187946971BFF29E53C12
Glasby, P. G. (2000, 28. julij). ECONOMIC GEOLOGY: Lessons Learned from Deep-Sea
Mining. Najdeno 27. avgusta 2019 na spletnem naslovu
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17832066
na spletnem naslovu
https://ec.europa.eu/maritimeaffairs/policy/seabed_mining_sl
Gordon, J. (2019, 4. junij). Cobalt: the dark side of a clean future. Najdeno 19. novembra
2019 na spletnem naslovu https://www.raconteur.net/business-
innovation/cobalt-mining-human-rights
Introduction to aluminium and its alloys [aalco]. Najdeno 23. junija 2019 na spletnem
naslovu http://www.aalco.co.uk/datasheets/Aluminium-Alloy_Introduction-to-
Kako deluje baterija? [Raunalniške novice]. (2018, 16. februar). Najdeno 14. junija 2019
na spletnem naslovu https://www.racunalniske-novice.com/novice/dogodki-in-
Lead [periodic table]. Najdeno 11. avgusta 2019 na spletnem naslovu
http://www.rsc.org/periodic-table/element/82/lead
Lison, D. (2007). Cobalt. Najdeno 22. junija 2019 na spletnem naslovu
https://www.sciencedirect.com/sdfe/pdf/download/eid/3-s2.0-
B978012369413350080X/first-page-pdf
Lithium Cobalt Oxide(LiCoO2) — LCO [Battery Univeristy]. Najdeno 13. avgusta 2019 na
spletnem naslovu
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) — LFP [Battery university]. Najdeno 19. avgusta 2019
na spletnem naslovu
2019 na spletnem naslovu
Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2) — NCA [Battery university]. Najdeno
15. avgusta 2019 na spletnem naslovu
https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion
Najdeno 15. avgusta 2019 na spletnem naslovu
https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion
Lutsey, N. & Nicholas, M. (2019, 2. april). Update on electric vehicle costs in the United
States through 2030. Najdeno 24. avgusta 2019 na spletnem naslovu
https://theicct.org/sites/default/files/publications/EV_cost_2020_2030_201904
01.pdf
Manganese [periodic table]. Najdeno 23. junija 2019 na spletnem naslovu
http://www.rsc.org/periodic-table/element/25/manganese
Nickel [periodic table]. Najdeno 23. junija 2019 na spletnem naslovu
http://www.rsc.org/periodic-table/element/28/nickel
Olivetti, E. A., Ceder, G., Gaustad, G. G., Fu, X. (2017, 11. oktober). Lithium-Ion Battery
Supply Chain Considerations: Analysis of Potential Bottlenecks in Critical Metals.
Najdeno 28. julija 2019 na spletnem naslovu
https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S2542-4351%2817%2930044-2
Osnovne informacije [TAB]. Najdeno 11. avgusta 2019 na spletnem naslovu
https://www.tab.si/index.php/content/display/9
Patel, P. (2018, 1. januar). Could Cobalt Choke Our Electric Vehicle Future? Najdeno 19.
novembra na spletnem naslovu
https://www.scientificamerican.com/article/could-cobalt-choke-our-electric-
vehicle-future/
Pelegov, D. V., Pontes, J. (2018, 5. december). Main drivers of battery industry changes:
Electric vehicles – a market overview. Najdeno 15. julija 2019 na spletnem naslovu
https://www.researchgate.net/publication/329415610_Main_Drivers_of_Batter
y_Industry_Changes_Electric_Vehicles-A_Market_Overview
Pravilna uporaba NiMh baterij [ebatt]. (2017, 21. september). Najdeno 15. junija 2019
na spletnem naslovu https://ebatt.si/si/blog/18-pravilna-uporaba-nimh-baterij
Report on Raw Materials for Battery Applications [European Commision]. (2018, 22.
november). Najdeno 8. septembra 2019 na spletnem naslovu
https://ec.europa.eu/transport/sites/transport/files/3rd-mobility-
pack/swd20180245.pdf
Najdeno 13. julija 2019 na spletnem naslovu
http://www.mzi.gov.si/si/medijsko_sredisce/novica/8810/
The element lithium [Jefferson lab]. Najdeno 22. junija 2019 na spletnem naslovu
https://education.jlab.org/itselemental/ele003.html
Urquhart, J. (2018, 12. april). Manganese makeover for lithium-ion batteries. Najdeno
26. avgusta 2019 na spletnem naslovu
https://www.chemistryworld.com/news/manganese-makeover-for-lithium-ion-
batteries/3008886.article
Vlada sprejela strategijo za alternativna goriva [152. Redna seja vlade]. (2019, 3.
oktober). Najdeno 19. novembra 2019 na spletnem naslovu
https://www.gov.si/assets/vlada/Seja-vlade-SZJ/2019/10_2019/SPsevl46.pdf
2019 na spletnem naslovu https://www.nano.gov/nanotech-101/what/definition
Zubi, G., Dufo-Lopez, R., Carvalho, M., Pasaoglu, G. (2017, 11. april). The lithium-ion
battery: State of the art and future perspectives. Najdeno 28. julija 2019 na
spletnem naslovu
Priloge
Vir: Zubi, Dufo-Lopez, Carvalho & Pasaoglu, 2017, str. 299
Priloga 2: Tabela redkosti kovin
Vir: : Zubi, et. al., 2017, str. 303

baterij v električnih vozilih - um

Documents