Akumulatory Li-Ion - czy zabraknie materiałów do ich budowy?

Pojemność akumulatorów jest jednak ograniczona. Pod względem gęstości energii, czyli jej ilości zmagazynowanej w jednostce masy, wciąż niestety ustępują one innym źródłom energii. Na przykład gęstość energii w najlepszych akumulatorów litowo-jonowych, sięgająca 250 Wh/kg, stanowi zaledwie 2% gęstości energii benzyny oraz mniej niż 1% wodoru. Dzięki nowoczesnym rozwiązaniom technicznym, głównie w dziedzinie ograniczania zużycia energii, wystarczy to do zasilenia samochodu. W najbliższej przyszłości nie ma jednak raczej żadnych szans na to, by akumulatory zasilały większe pojazdy, jak statki czy samoloty.

Bezpieczeństwo akumulatorów

Akumulatory mają ograniczoną liczbę cykli ładowania-rozładowania. Ważną kwestią jest również bezpieczeństwo ich użytkowania. Zagrożeniem, o którym słyszał chyba każdy, jest możliwość ich eksplozji. Groźba ta przemawia do wyobraźni użytkowników tym bardziej, gdy chodzi o urządzenia, takie jak smartfony, laptopy czy słuchawki bezprzewodowe.

Jeżeli na przykład chodzi o te ostatnie, to jakiś czas temu świat obiegły zdjęcia przedstawiające poparzoną twarz pasażerki samolotu do Melbourne. Została ona ranna, kiedy podczas lotu wybuchły akumulatory litowo-jonowe w jej bezprzewodowych słuchawkach. Akumulatory spowodowały także m.in. zapalenie się smartfonów Samsunga.

Ponadto sprawność działania akumulatorów jest uzależniona od temperatury. W niskich i wysokich temperaturach ulega ona znacznemu pogorszeniu.

Szybkość ładowania i samorozładowanie

Istotną sprawą jest również toksyczność ogniw. Na przykład akumulatory niklowo-kadmowe są wycofywane z użytku, ponieważ te zużyte wywierają negatywny wpływ na środowisko naturalne.

Ważną cechą akumulatorów jest oprócz tego szybkość ich ładowania. Ma ona bardzo duży wpływ na jakość użytkowania urządzenia, które zasilają, podobnie jak szybkość ich samorozładowania, któremu z czasem ulegają. To ostatnie powinno postępować możliwie najwolniej.

Nad pokonaniem wszystkich powyższych ograniczeń naukowcy pracują od lat. W przyszłości będą oni musieli jeszcze spotęgować swoje wysiłki, bowiem popyt na nie oraz ilość energii elektrycznej, która będzie w nich magazynowana, bardzo wzrosną.

Ołowiowo-kwasowe są tanie

Przez wiele dekad najpopularniejszym typem akumulatorów były te ołowiowo-kwasowe. Jeszcze około trzech lat temu udział tych ogniw w całkowitym rynku akumulatorów przekraczał 60%. Używano ich przede wszystkim w samochodach.

Popularność wersje ołowiowo-kwasowe zawdzięczały kilku czynnikom jak niezawodność oraz duży prąd rozruchowy. Akumulatory ołowiowo-kwasowe są oprócz tego tanie w produkcji. Cena 1 kWh energii to w ich przypadku tylko około 150 dolarów. W latach 90 pojawiła się jednak konkurencja w postaci wersji litowo-jonowych.

Akumulatory litowo-jonowe były drogie

Pierwsze akumulatory tego rodzaju były bardzo drogie. Cena tych wówczas produkowanych w przeliczeniu na kWh energii sięgała nawet kilku tysięcy dolarów. Na szczęście koszt ten bardzo szybko zaczął się zmniejszać.

Dzięki temu w pierwszej dekadzie XXI. wieku zaczęto w nie powszechnie wyposażać urządzenia przenośne. Ponadto z czasem w dziedzinie ich konstrukcji i parametrów nastąpił tak znaczny postęp, że zakres ich zastosowań rozszerzono również m.in. o samochody elektryczne.

Jeżeli chodzi o samą cenę, to jeszcze około 10 lat temu koszt kWh energii zmagazynowanej w akumulatorach litowo-jonowych wynosił około tysiąca dolarów. Tymczasem aktualnie w przypadku ogniw, które są używane w pojazdach elektrycznych Tesli, koszt kWh energii wynosi już tylko nieco ponad 200 dolarów. Prognozuje się, że w kolejnych modelach powinien się on zmniejszyć do ok. 150 dolarów.

Już jednak wartość około 240 dolarów za kWh energii sprawia, że wersje litowo-jonowe stają się konkurencją dla benzyny. Jeśli koszt ten dalej będzie się zmniejszać w dotychczasowym tempie, wówczas gdy spadnie do około 100 dolarów za kWh energii, korzystanie z nich stanie się tańsze niż z benzyny. Dlatego właśnie przewiduje się, że największą siłą napędową rynku akumulatorów litowo-jonowych będzie branża motoryzacyjna. Głównym tego powodem będzie zaś rozwój rynku samochodów elektrycznych.

Już od jakiegoś czasu, z roku na rok, popyt na ogniwa litowo-jonowe montowane w samochodach elektrycznych rośnie. Według Roskill w 2016 roku 50% tych urządzeń zostało zainstalowanych w pojazdach tego typu. Dla porównania w 2014 oraz 2012 roku udział ten wynosił odpowiednio 27% oraz 7%.

Samochody elektryczne siłą napędową

Bernstein Research prognozuje, że dzięki popytowi w tym segmencie udział akumulatorów litowo-jonowych w całkowitym rynku, którego wartość według szacunków przekroczy w 2025 roku 100 mld dolarów, sięgnie 70%. Dla porównania trzy lata temu wynosił on nieco ponad 33% z 49 mld dolarów, z czego 5 mld dolarów stanowił udział ogniw używanych w samochodach.

Samochody elektryczne wciąż zyskują na popularności. Składa się na to kilka przyczyn, m.in. w wielu krajach zapewnione jest znaczące rządowe wsparcie mające zachęcać do kupna pojazdów tego typu. Przybiera ono na przykład postać dopłat i zwolnień z podatków. Państwa są skłonne pomagać w zakupie auta z napędem elektrycznym w ramach popularyzacji rozwiązań, dzięki którym zmniejsza się ilość szkodliwych substancji emitowanych do środowiska przez samochody spalinowe.

Niektóre rządy planują także podjęcie bardziej radykalnych działań. Na przykład jakiś czas temu głośno było o planach rządu niemieckiego, który zamierza już od 2030 roku zakazać rejestracji samochodów spalinowych.

Popyt na auta elektryczne będzie rósł

Malejące ceny akumulatorów oraz wydłużanie się odległości, jakie auta elektryczne mogą przebywać pomiędzy ich kolejnymi doładowaniami, to kolejne czynniki, które sprzyjają rozwojowi ich rynku. Oprócz tego w miastach przybywa punktów ładowania samochodów tego typu. Dostępność takiej infrastruktury poprawia komfort użytkowania, dlatego również znacząco zwiększa zainteresowanie klientów takimi środkami transportu.

W związku z tym przewiduje się, że w 2040 roku udział samochodów z napędem elektrycznym w sprzedaży wszystkich aut sięgnie 35%. Oznaczać to będzie, że corocznie na świecie sprzedawanych będzie wtedy około 40 mln sztuk pojazdów z takim napędem.

Oznacza to też, że ilości energii, którą trzeba będzie zmagazynować w akumulatorach, znacząco wzrosną. Bloomberg New Energy Finance prognozuje, że corocznie łącznie w skali światowej samochody elektryczne z sieci elektroenergetycznej będą pobierać prawie 2 tysiące TWh energii.

Dla porównania obecnie wartość zapotrzebowania na energię elektryczną do zasilenia samochodów elektrycznych nie przekracza globalnie 50 TWh rocznie. Ilość ta w skali światowej jest praktycznie niezauważalna.

Tak duża liczba samochodów elektrycznych, jaka prawdopodobnie będzie jeździć po drogach na całym świecie w 2040 roku, znacznie zwiększy popyt na ogniwa litowo-jonowe. Prognozuje się, że pod względem magazynowanej energii zapotrzebowanie na takie jednostki będzie rosło corocznie o ponad 21%. W efekcie zwiększy się ono z niecałych 16 GWh w 2015 roku do ponad 90 GWh za siedem lat.

Elektrody

Ogniwo akumulatora litowo-jonowego tworzy para elektrod zanurzonych w elektrolicie. Anodę wykonuje się z naturalnego bądź syntetycznego grafitu, zaś funkcję elektrolitu pełnią sole litowe. Katodę wykonuje się z kolei z tlenków metali.

Jeżeli chodzi o pierwsze dwa elementy, to nie ma tu zbyt wielkiego pola do popisu. Natomiast w zakresie materiałów, z których wykonuje się katodę, wciąż szuka się takich, które zapewnią lepsze parametry. Przykładowo katoda typu NCA ma w swoim składzie, oprócz litu, nikiel, kobalt oraz aluminium. Akumulatory z elektrodami dodatnimi tego typu są używane m.in. w samochodach elektrycznych Tesli. W smartfonach natomiast montowane są m.in. akumulatory z katodą typu LCO wykonaną z kobaltu.

W samochodach elektrycznych używane są również wersje z elektrodą LMO z manganu. Inne przykłady katod to elektrody NMC wykonywane z niklu, manganu i kobaltu oraz LFP. Te drugie wykonane są z żelaza.

Dostępność materiałów

Poza tym, że akumulator powinien mieć jak najlepsze parametry użytkowe, musi on być również wykonywany z materiałów tanich i, przede wszystkim, łatwo dostępnych. Jeśli ten drugi warunek nie zostanie spełniony, ich dostawy będą się opóźniać. To z kolei oznacza straty finansowe zarówno dla producentów akumulatorów, jak i ich odbiorców. Będą one tym większe, im większe będzie zapotrzebowanie na te urządzenia. Jeśli chodzi na przykład o mangan i aluminium, dwa ważne materiały elektrod, są one tanie. Co nie mniej istotne, w zakresie ich dostępności nie należy się spodziewać żadnych większych problemów. Inaczej jest w przypadku równie ważnych materiałów, jakimi są lit, kobalt, nikiel oraz grafit. Ich rynki są mniejsze i słabiej ugruntowane, zaś pewność dostaw nie jest gwarantowana.

Jeśli chodzi o lit, ilościowo zapotrzebowanie na ten pierwiastek najlepiej zobrazować na przykładzie - do produkcji samochodowego akumulatora litowo-jonowego, w którym zgromadzono ponad 50 kWh energii, potrzebnych jest aż ponad 50 kg LCE (Lithium Carbonate Equivalent). Dziwić zatem nie powinno, że według prognoz wzrost popytu zaledwie o 1% może spowodować zwiększenie się zapotrzebowania na lit aż o ponad 50 tys. ton LCE co roku.

Dostawcy tego surowca wyczuli dobrą koniunkturę. W związku z tym wzmogły się ich starania o zwiększenie możliwości w zakresie eksploatacji jego zasobów. Oczekuje się, że w wyniku działań, które podjęli oni w tym kierunku, takich jak fuzje i przejęcia, eksploracja nowych złóż i testowanie nowych technik produkcji, ich zdolności produkcyjne, według firmy Roskill, wzrosną corocznie o ponad 350 tys. ton LCE do 2020 roku. Bardzo prawdopodobne jest, że wzrost ten będzie jeszcze większy.

Pierwsze efekty ich działań są już widoczne. Podczas gdy w 2015 roku odnotowano deficyt litu, którego skutkiem był wzrost cen, w minionym roku stwierdzono już jego minimalną nadpodaż.

W 2016 roku 50% wszystkich akumulatorów litowo-jonowych zostało zamontowanych w samochodach	Pod względem magazynowanej energii zapotrzebowanie na ogniwa litowo-jonowe będzie rosło o ponad 21% rocznie

Są powody do obaw

Z kolei w przypadku kobaltu obecnie do produkcji akumulatorów wykorzystuje się 40% jego światowej produkcji. Przewiduje się, że w ciągu kolejnych dwóch lat udział ten przekroczy 50%.

Tymczasem ponad 60% globalnej produkcji tego surowca pochodzi z Demokratycznej Republiki Konga. Fakt ten, zwłaszcza w obliczu spodziewanego tak dużego wzrostu popytu na ogniwa, może niepokoić ich producentów.

Podstawą do obaw przed uzależnieniem się od dostaw surowców z Demokratycznej Republiki Konga jest przede wszystkim niestabilna sytuacja gospodarczo-polityczna, która od wielu już lat panuje w tym afrykańskim kraju. W jej efekcie państwo słabo kontroluje przemysł wydobywczy, przez co na porządku dziennym w tym sektorze jest korupcja.

Jeśli natomiast chodzi o nikiel, to Roskill prognozuje, że do 2025 roku zapotrzebowanie na ten surowiec może wzrosnąć o nawet 400 tys. ton, czyli znacząco w porównaniu do całkowitego popytu na ten materiał, który w 2016 roku wyniósł 1,9 mln ton. Przykład niklu dobrze obrazuje to, jak na sytuację na rynku surowców negatywnie wpływają zawirowania w krajach, w których ich zasoby są duże.

Radykalne decyzje

Na początku 2014 roku w Indonezji wprowadzono zakaz eksportu nieprzetworzonych surowców kopalnych, zwłaszcza rud metali. Taka radykalna decyzja miała spowodować, że kopaliny będą przetwarzane wyłącznie na miejscu, w kraju wydobycia. To z kolei miało wesprzeć rodzimy przemysł oraz przyczynić się do powstania wielu nowych miejsc pracy.

Jednocześnie skutkiem ubocznym tego zakazu stał się blisko 50% wzrost cen niklu. Na szczęście restrykcje te są stopniowo łagodzone. Na przykład można już eksportować rudy o niskiej zawartości niklu, a niektóre większe kopalnie uzyskały pozwolenie na sprzedaż za granicę ograniczonej ilości rud tego metalu.

Kolejnym przykładem są Filipiny. Od czasu, gdy Indonezja wprowadziła zakaz eksportu nieprzetworzonych surowców, to właśnie ten kraj stał się jednym z największych światowych dostawców niklu.

Jednak na początku tego roku państwo zadecydowało o zamknięciu ponad dwudziestu kopalni tego surowca i wstrzymaniu pracy w kolejnych ośmiu. Tę decyzją uzasadniono z kolei tym, że stanowią one zagrożenie dla środowiska, m.in. dlatego, że zanieczyszczają wody gruntowe. Oprócz tego ich działalność ma negatywnie wpływać na życie lokalnych społeczności.

Co z grafitem?

Na zakończenie artykułu warto wspomnieć o graficie. Przeciętnie do produkcji samochodowego akumulatora litowo-jonowego, w którym zgromadzono ponad 80 kWh energii, potrzebnych jest aż ponad 50 kilogramów tego materiału. W związku z tym Benchmark Mineral Intelligence przewiduje, że popyt na grafit naturalny, jak i sztuczny, do produkcji elektrod w najbliższej dekadzie przynajmniej się potroi, z 80 tys. ton w 2015 roku, do co najmniej 250 tys. ton na koniec 2020 roku. Jeżeli chodzi o typ tego surowca, to w tym zastosowaniu coraz silniejszą konkurencją dla naturalnego amorficznego grafitu będzie naturalny grafit płatkowy i ze względu na stale malejące ceny, grafit syntetyczny.

Aktualnie największym dostawcą naturalnego grafitu, zarówno amorficznego, jak i płatkowego, są Chiny. Kraj ten pokrywa ponad 70% całkowitego światowego zapotrzebowania na ten surowiec. W przyszłości Chiny wciąż będą głównym dostawcą tego materiału.

Nadprodukcja grafitu w tym kraju jest jednak stopniowo ograniczana. Tylko w 2016 roku, ze względu na ich negatywny wpływ na środowisko naturalne, zamknięto wiele chińskich kopalń. W rezultacie produkcja tego materiału spadła wówczas aż o 30%.

Nie ma jednak powodów do obaw, gdyż ciągłość dostaw naturalnego grafitu płatkowego zapewni eksploatacja złóż w Mozambiku oraz w innych częściach Afryki. Szacuje się, że około trzech czwartych jego nowych światowych zasobów, wyłączając te chińskie, będą stanowić właśnie złoża afrykańskie. Nowych pokładów grafitu płatkowego poszukuje się również w Australii, Kanadzie, Rosji, Indiach oraz USA.

Monika Jaworowska