skrivet av Helena Berg
När vi pratar om resurser för batterier är det ofta kobolt som diskuteras. Och då ofta i ett etiskt perspektiv – vill vi bli förknippade med dåliga arbetsvillkor och barnarbete, som så ofta tas upp i media? När det kommer till frågan om litium säger vi att det inte är någon fara – finns massor i havet… Men hur ligger det till med tillgångarna för att klara av en framtida elbilsomställning? Och varför är det så tyst om grafit?
Litium – en svensk upptäckt
1800 hittade en brasiliansk student ett nytt mineral på Utö i Stockholms skärgård – petalit. 1817 lyckades Johan August Alfwedson, en av forskarna kring Berzelius, utvinna en ny metall ur petalit. Berzelius döpte metallen till lition (’av sten’). Den första kända avhandlingen om litium skrevs redan 1857 och sedan dess har det blivit ofantligt många. Litium är lätt, har en låg smältpunkt (180 °C), elektrokemiskt ’aktiv’ och är en mycket reaktiva metall – reagerar med syre, kväve och vatten.
På 1920-talet ansåg man att litium var dyrt och helt utan kommersiell användning. Så fel…
Flertalet viktiga användningsområden
Nu för tiden är litium både en strategisk och ekonomiskt viktig metall i flertalet tillämpningar – kärnkraftsindustrin, mediciner, smörjmedel, metallurgi, glaser, cement, batterier... Användningen ökar och det finns nu en helt ny medvetenhet om de ändliga resurserna. Litium gör Al hårdare, sänker smältpunkten på glas och kan användas i stötdämpande keramer, men även i våra toalettstolar.
- Ungefär 30 % av all litium går till just glas- och keramikproduktion (t.ex. toalettstolar och handfat), och de närmsta åren förväntas den årliga ökningen bli ca. 3 %.
- Ca 10 % av den årliga Li-produktionen går till att göra mycket vatten- och temperaturbeständiga smörjmedel. Marknaden tros öka med ca 4 % per år.
- I Al-produktion används litium för att sänka smältpunkten och produktionskostnaderna, samt för att öka aluminiums ledningsförmåga. Det aluminium som skapas blir på detta sätt styvare och används mycket inom flygindustrin. Litium ingår i Al-legeringar med ca 4 vikt-%. Ungefär 6 % av den årliga Li-produktionen går till denna typ av Al-legeringar och användningen tros öka med ca 5 % årligen under de kommande 5-10 åren.
Hälsoeffekterna av Li är ’uppiggande’ och Li ingår därför i många antidepressiva läkemedel. På 50-talet sålde 7up ’Lithiated Lemon Soda’ just på grund av denna effekt. Av den totala litiumåtgången används idag endast ca. 2 % i läkemedel.
Näst efter glas så går det mesta av Li-produktionen till just batterier (22 %).
För att tillverka Li-jonbatterier utgår man från antingen litiumkarbonat eller litiumhydroxid. De senaste åren har priset ökat 3-4 ggr för litiumkarbonat. Kina kontrollerar ca. 75 % av all litiumhydroxidtillverkning.
Om man vill köpa Li-metall idag kostar det ca 410 US$/kg.
I dagens Li-jonbatterier finns ca. 0,15 kg Li per kWh (vilket motsvarar ca. 0,8 kg Li2CO3), eller närmare 13 kg Li i en Tesla Model S med stort batteri (ca. 400 km räckvidd). Det bör kommas ihåg att det inte finns något metalliskt Li i Li-jonbatterier.
Li-användningen till just batterier tros öka med ca. 15 % per år och då är inte gridapplikationer medräknade. Joe Lowry, International Lithium LLC, är en av de mest kunniga i världen om litiumtillgångar och produktion och han tror att vi redan 2025 kommer ha ökat behovet med 150 % till 400 kton [1], något som kan vara i underkant om elbilar säljer stort under de kommande åren.
Fyndigheter
Även om litium upptäcktes på Utö finns dagens fyndigheter långt därifrån. Litium återfinns i ca 140 olika mineral i jordskorpan av koncentration på ca 20 ppm, ungefär som gallium och niob, och högre halt än t.ex. bly. I havsvattnet finns ca 0,2 ppm Li, jämfört med 2-3 % natrium. Tyvärr är litium koncentrerat till ett fåtal platser/länder, där Anderna i Sydamerika kan bli framtidens ’Mellanöstern’.
Litium finns främst i Chile, Argentina, Bolivia, Kina, Tibet, och i mindre utsträckning i USA (Nevada, Colorado, Utah, Kalifornien). I många fall är det politiskt instabila länder med bristfällig infrastruktur för en utökning av produktionen.
Ett hinder är tillförseln av färskvatten, som behövs för att få upp litiumsaltet ur sjöarna. Om 20 år kan man behöva stänga en av de största källorna om man inte tillför färskvatten. Många fyndigheter har även problem med magnesium-föroreningar och översvämningar, förutom de rent logistiska problem man har att brottas med.
Totala världsreserven av litium uppskattas till 25-40 Mton [2-5]. Årsproduktionen är på ca 600 kton per år, varav merparten kommer från saltsjöar [6]. Behovet tros öka med 7-10% årligen [7].
Det finns 3 producenter som 2009 stod för mer än 90 % av världens produktion [2,8] – oligopolet Sociedad Quimica y Minera (SQM), Rockwood, och FMC Lithium.
Finns det tillräckligt med billigt litium?
Joe Lowry menar i ett flertal intervjuer [t.ex. 2,9,10] att det som kommer vara kritiskt för cell- och fordonstillverkarna är att säkra tillgången till litium, billig litium. Lowry har räknat på att det behövs investeringar på 1-2 miljarder dollar under de kommande tio åren för att hålla litiumproduktionen i nivå med framtida behov. För att komma en bit på väg behöver man fördubbla produktionen i Chile, använda nya källor i Sydamerika och mer än fördubbla produktionen i Kina. Lowry menar även att det bara är från Chile man idag får litium i världsklass.
Tesla har hävdat att bara de skapar en efterfrågan kommer Li-produktionen hänga med. Är det verkligen så enkelt? Den totala Li-kostnaden i en Tesla Model 3 är under 1% av bilens totala kostnad. Men utan att säkra tillgången på litium kan hela Gigafactory försenas och då genom att ingå partnerskap med små och nyetablerade leverantörer. Tesla skulle behöva ungefär 15 % av dagens Li-marknad. [8]
Man kan även bryta Li-rik malm, men det blir betydligt mer kostsamt och energikrävande. Tesla agerar strategiskt och har bl.a. planer på att köpa litium från en gruva i Nevada, men än är denna i uppstartsfas [11]. Vidare har Tesla säkerställt ett långtidskontrakt med Bacanora Mineral och Rare Earth Minerals för att utvinna litium i norra Mexico [12]. Planen är att de ska förse Tesla med ca. 35 kton och med potential för att skala upp produktionen till 50 kton per år [13].
Metallvärdet av ett mobiltelefonbatteri är ca 40 kr/kg [2], och då står kobolt för 75%; ungefär 10ggr mer än Li-värdet i samma batteri. I takt med att Co-innehållet i katoden minskar i och med att man blandar in framför allt nickel och mangan minskar den ekonomiska drivkraften för att återvinna batterierna. Eller?
Återvinning blir mer och mer viktig ju längre räckvidd vi anser oss måste ha i en elbil. EU har satt upp som mål att minst 50 vikt% av ett batteri ska återvinnas. Vad menas – på packnivå eller på cellnivå? Har du information så tipsa oss gärna!
Det man ska komma ihåg är att de återvunna materialen inte går att använda rakt av i nya celler utan materialen måste förädlas igen.
Vi inom OMEV har som mål att skriva mer om återvinningsaspekterna längre fram.
Istället för att återvinna skulle man kunna extrahera litium ur havsvatten. För att koncentrera havsvattnet till ca. 2 % går det dock åt enorma mängder energi, ca. 0,1 MWh/kg Li metall [2].
Så hur vi än vänder och vrider på problemet kommer vi behöva återvinna litium om vi vill ha elbilar med lång räckvidd (om vi utgår från att det kommer fortsätta vara för dyrt att extrahera Li ur havet).
Men grafit då?
Grafit används som anodmaterial i Li-jonbatterier – naturlig eller syntetisk. Utgångspunkten för syntetisk grafit kan i princip vara vilken kolinnehållande källa som helst – nylonstrumpor, Coca Cola eller fjärilsvingar har testats genom åren. Dock är det inte att rekommendera för storskalig produktion…
Det finns många företag som utvecklar stora mängder grafit – i Nordamerika, sydöstra Afrika, Australien och Brasilien för att nämna några länder. Dock behövs mycket specialiserad grafit för att vara användbar i batterier, och den största mängden görs i Kina och Sydost-Asien.
För att tillverka 1 kg belagd, sfärisk grafit för Li-jonbatterier går det åt ca. 3 kg naturlig grafit. Syntetisk grafit är ungefär tre gånger dyrare än naturlig (20 k$/ton jämfört med 7 k$/ton) [8]. Per bil sparar man in ca. 1000$ om man använder naturlig grafit.
Den årliga produktionen av naturlig grafit är ungefär 400 kton per år. Detta skulle räcka till två miljoner elbilar per år… Vad händer om och när bränsleceller blir en större produkt? En bränslecell kräver även stora mängder grafit.
Så på samma sätt som att säkra Li-tillgångarna bör cell- och fordonstillverkarna säkra tillgången på bra och billig grafit.
Egna kommentarer
Litium – den lättaste av alla metaller – det nya guldet?
Vad händer om och när storskalig lagring och grid-applikationer tar fart? Vid en konferens i Tyskland för några år sedan var kaffepaussnacket: ”kommer det bli några batterier över till elbilar när alla kan köpa billiga solcellsanläggningar inkl batteri?”
Tillgång är en sak – tajming en annan. Kommer man investera i brytning av Li-rik malm, eller kommer man satsa på andra icke-Li-innehållande teknologier. Kanske Na-jonbatterier istället? Kanske kan bli nischen för batteritillverkning inom Europa?
Hur som helst kommer mycket Li att gå åt för att dämpa räckviddsångesten på något sätt – antingen i batterier eller i medicinerna…
Referenser
[1] Global Lithium Demand To Rise 150% In The Next Ten Years. länk
[2] D. Kushnir and B. Sandén, Research Policy, 37 (2012), 93-103
[3] The Troublewith Lithium Implicationsof Future PHEV Productionfor Lithium Demand länk
[4] The Trouble with Lithium Under the Microscope länk
[5] United States Geological Survey, Lithium
Statistics and Information. länk
[6] Lithium: A Long-Term Investment länk
[7] Is lithium the new gold? länk
[8] Material Reality Vs. Tesla's Giga-Fantasy. länk
[9] Is Tesla Rolling the Dice With Their Lithium Supply?. länk
[10] Interview of “Mr. Lithium,” Joe Lowry of Global Lithium LLC. länk
[11] Tesla plans to buy lithium for Gigafactory from nearby Nevada mine. länk
[12] What's going on with Tesla's new lithium supply deal? [UPDATE]. länk
[13] Tesla (TSLA) Enters Lithium Supply Contract with Rare Earth Minerals and Bacanora Minerals. länk
