Diese Präsentation wurde erfolgreich gemeldet.
Wir verwenden Ihre LinkedIn Profilangaben und Informationen zu Ihren Aktivitäten, um Anzeigen zu personalisieren und Ihnen relevantere Inhalte anzuzeigen. Sie können Ihre Anzeigeneinstellungen jederzeit ändern.

Tutu porvali 29_1_19

112 Aufrufe

Veröffentlicht am

Sähköauton akkujen kierrätys

  • Loggen Sie sich ein, um Kommentare anzuzeigen.

  • Gehören Sie zu den Ersten, denen das gefällt!

Tutu porvali 29_1_19

  1. 1. Sähköautojen akkujen arvometallit ja kiertotalous Antti Porvali Hydrometallurgian ja korroosion tutkimusryhmä 29.1.2019
  2. 2. ESITELMÄN RAKENNE 1. Sähköautojen akkujen rakenne 1. Sähköautojen akkujen raaka-aineet 1. Akkuraaka-aineiden kierto 1. Metallurginen kierrätys 2
  3. 3. Sähköautojen akut, raaka-aineet ja niiden kysyntä ja tarjonta
  4. 4. Alkuaineet sähköautojen akuissa Elektrodi- materiaalit Elektrolyytti Virran- kerääjät Elektrodi ja elektrolyytti 4
  5. 5. Alkuaineet sähköautojen akuissa Elektrodi- materiaalit Elektrolyytti Virran- kerääjät Elektrodi ja elektrolyytti Li Ni Co Mn Al Cu Fe Graf. Muovit F 1-2% 14.8% 8.45% 5.86% 22.7% 16.6% 8.8% ~10- 20% 3.3% 4.99% Taulukko 1: Esimerkki massajakaumasta NMC-kennossa (p-%) [7] EV-elektrodimateriaaleja: • Li-NMC (nikkeli-mangaani-koboltti, NMC) • Li-NCA (nikkeli-koboltti-alumiini, NCA) • LiFePO4 5
  6. 6. Akun rakenne Lähde: [3] EV-elektrodimateriaaleja: • Li-NMC • Li-NCA • LiFePO4 (Kiina) Elektrolyytti: • Etyleeni- /metyleenikarbonaatti • Li-suoloja, esim. LiPF6 Virrankerääjät: • Alumiini- ja kuparifoliot Separaattori: • Li-ionin läpäisevä, sähköä johtamaton membraani 6
  7. 7. Akun rakenne EV-elektrodimateriaaleja: • Li-NMC • Li-NCA • LiFePO4 (Kiina) Elektrolyytti: • Etyleeni- /metyleenikarbonaatti • Li-suoloja, esim. LiPF6 Virrankerääjät: • Alumiini- ja kuparifoliot Separaattori: • Li-ionin läpäisevä, sähköä johtamaton membraani 7
  8. 8. Li-ion akkujen tuotanto 2010 2015 2020 2025 2030 EV+HEV+ PHEV 0 13 75 135 240 Muu maantiekuljetus 0 0 1 2 5 LIB yhteensä 25 45 125 220 390 Taulukko 2: Li-ion akkumarkkinat, vuosituotanto (GWh/y) [11] Laskennallinen esimerkki, Li-NMC-akku: Hinta aktiivimateriaaleille, elektrolyytille ja erottimelle • NMC, NCA hintaluokka: 70 – 80 $/kWh [8] Tesla Model S 100D = 100 kWh akku [11] • Akku muodostaa jo näin laskettuna 7000 – 8000 $ hinnasta 8
  9. 9. Li-ion akkujen tuotanto 2010 2015 2020 2025 2030 EV+HEV+ PHEV 0 13 75 135 240 Muu maantiekuljetus 0 0 1 2 5 LIB yhteensä 25 45 125 220 390 Taulukko 2: Li-ion akkumarkkinat, vuosituotanto (GWh/y) Riittävätkö raaka-ainevarannot? 9
  10. 10. Li-ion akkujen raaka-aineet Taulukko 3: Li-ion akkujen raaka-aineiden tuotanto [11] Alkuaine Reservit (econ) 2016 Tuotanto 2016 Tuotanto/Reservit Akkujen markkinaosuus Al 11 000 Mt 57.6 Mt/y 190 y <1% Mn 690 Mt 16 Mt/y 43 y <1% C 250 Mt 1.2 Mt/y 208 y ~3% Ni 78 Mt 2.25 Mt/y 34 y 1-2% Cu 720 Mt 19.4 Mt/y 37 y <1% Co 7 Mt 0.123 Mt/y 56 y 30% Li 14 Mt 0.0378 Mt/y 370 y 39% Hinnat (1/2019) *Koboltti = 35 $/kg *Nikkeli = 11.63 $/kg *Kupari = 5.92 $/kg *Mangaani = ~2 $/kg *Alumiini = 1.87 $/kg **Li2CO3 = 13.5 $/kg **Grafiitti = 0.72 $/kg Lähteet *London Metal Exchange (LME), 3 kk futuurit ** Metalbulletin[1,2] 10
  11. 11. Li-ion akkujen raaka-aineet • Globaali tuotanto vs. Globaalit varannot • Millä aikataululla tuotantoa voidaan kasvattaa? • Riittävätkö raaka-ainevarannot tulevaisuudessa? • Onko maailman sähköistäminen nykyteknologialla mahdollista? • Raaka-aineita ei ole varaa hukata Alkuaine R2 Tuotantohuippu Tuotannon pullonkaula Ni 0.95 2033 2027-2029 Co 0.90 2142 2030-(>2050) Mn 0.84 2030 2038-2050 Li 0.92 2037 2042-2045 Taulukko 4: [13] Yksi malli raaka-aineiden riittävyydestä 11
  12. 12. Globaalit vs. lokaalit raaka- ainevarannot Globaalisti tilanne on verrattaen hyvä, mutta EU-tasolla saatavuuden riskejä lisää esiintymien sekä jalostuskapasiteetin keskittyminen yksittäisiin maihin [4] EU täyttää koboltintarpeen tuomalla 32% käytetystä koboltista [4] Käytetystä luonnongrafiitista 99% tuodaan EU:n ulkopuolelta [4] [4]: European Comission, Critical Raw Materials for the EU, COM(2017) 490 final 12
  13. 13. Akkuraaka-aineiden kierto – Kierrätys Suomessa ja EU:ssa
  14. 14. Akkujen kierrätys Akku- ja jätedirektiivit • 45% kaikista akuista ja paristoista on kerättävä vuodesta 2016 lähtien Markkinoille tuodut tuotteet Kerätty jäte European Union (current composition) 208 000 55 000 Belgium 4 061 2 525 Bulgaria 520 13 Czechia 2 638 409 Denmark 3 613 1 405 Germany 37 298 16 555 Ireland 2 017 212 Spain 12 090 1 919 France 29 921 10 442 Italy 27 843 4 670 Cyprus 180 6 Latvia 289 223 Lithuania 734 193 Luxembourg 214 111 Hungary 2 087 408 Netherlands 7 672 3 122 Austria 3 272 1 705 Taulukko 5: [9] Eurostat (Tonneja kierrätetty) – Muut paristot ja akut kuin NiCd ja Pb 14
  15. 15. Akkujen kierrätys Akku- ja jätedirektiivit • 50 p-% akkujen materiaaleista on kierrätettävä uusiksi tuotteiksi • Direktiivi ei ota kantaa mitä materiaaleja on kierrätettävä • Mahdollistaa prosessit, jossa entisiä korkean jalostusarvon tuotteita päätyy jätteeksi Taulukko 6: [9] Eurostat (Tonneja kierrätetty) – Muut paristot ja akut kuin NiCd ja Pb GEO/TIME 2014 2015 2016 2017 Belgium 890 1 056 1 556 1 505 Bulgaria 132 170 180 230 Czechia 87 223 39 86 Denmark 779 890 850 1 712 Germany 12 744 13 261 11 402 13 401 Estonia 62 23 23 32 Ireland 322 6 585 4 380 6 006 Spain : : 7 066 5 579 France 5 322 7 780 9 171 : Croatia 31 57 27 56 Italy 1 150 1 098 1 350 : Cyprus 10 29 30 : Latvia 53 47 51 53 Lithuania : : 282 229 Luxembourg 74 65 75 71 Hungary 321 341 639 762 Malta 0 0 0 : Austria 786 1 160 751 1 806 Poland 1 665 3 624 3 539 :15
  16. 16. Akkukierrätyksen haasteet Logistiikka: • Vaarallista jätettä • Erityisesti vaurioituneet akut suuri riski • Jätedirektiivi asettaa rajoitteita kuljetukselle ja käsittelylle Kaupallisuus kierrätyksessä: • EV-applikaatioissa koboltin määrää pyritään rajoittamaan • Materiaalivirrat verrattaen pieniä kansallisesti • Sopivat huonosti kierrätysraaka-aineelle dedikoituihin isoihin metallurgisiin prosesseihin Akut jäävät helposti kuluttajalle pöytälaatikkoon varastoon 16
  17. 17. Akkukierrätyksen metallurgiset haasteet Mindset: • Jäte on vaarallista ja pakattuna pieneen tilaan • “Design for Recyclability” puuttuu “Urbaanin mineraalin” laatu vaikeuttaa prosessointia: • Muovi, membraanit • Volatiilit orgaaniset yhdisteet (VOC) • Kemiallisesti raaka-ainevirrat eivät ole tasalaatuisia • Jätevirrat ovat pieniä primääriprosesseihin verrattuna Mikä on kierrätysprosessin tavoite? Säilyykö jalostusaste? 17
  18. 18. Akkujen metallurginen prosessointi 1. Raaka-aine pitää vapauttaa (liberate): • Mekaaninen prosessointi: lajittelu, murskaus, seulonta, tiheyserotus, magneettinen erotus, … • Pyrometallurgia: ‘Poltetaan’ ja sulatetaan sellaisenaan, syntyvien faasien jatkokäsittely mekaanisesti ja hydrometallurgisesti • Aktiivimateriaalit pyritään käsittelemään kemiallisesti 18
  19. 19. Akkujen metallurginen prosessointi - Hydrometallurgia 19
  20. 20. Akkujen metallurginen prosessointi • Nykyään Li menetetään – talteenotto karbonaattina on energiaintensiivistä • Kiteytys on ainoa keino, minkä seurauksena nestettä on haihdutettava liuoksen Li-karbonaattipitoisuuden saturoimiseksi • Liuos on ensin puhdistettava muista metalli-ioneista • Pyrometallurgisissa prosesseissa Li päätyy kuonafaasiin esim. Cu konvertointia vastaavissa olosuhteissa [10] • Nykyiset teolliset kierrätysprosessit painottavat taloudellisesti arvokkaiden metallien talteenottoa Li Co Ni Mn Cu Al <1% >50% >50% >50% >50% >50% Taulukko 7: EOL metallien kierrätysaste 2011 (ei-applikaatiospesifinen) [11] 20
  21. 21. Suomen erityispiirteet Suomessa on laaja ja vahva metallurginen osaaminen, esimerkkeinä: • Nikkeli- ja kobolttisulfaatin sekä anodien valmisus (Norilsk Nickel Harjavalta) • Kuparisulatto ja elektrolyyttinen puhdistus (Boliden Harjavalta) • Koboltinjalostus (Freeport Cobalt, Kokkola) • Nikkelikaivos (Terrafame) • Tulevaisuudessa myös laitokset NiSO4 ja CoSO4 tuotannolle • Mondo Minerals (Ni, Co bioliuotus) • Litiumkaivos ja –jalostamoprojekti (Keliber) 21
  22. 22. Suomen erityispiirteet Suomessa [5]: • AkkuSer prosessoi kerättyjä käytettyjä Li-ion akkuja • Massavolyymi on n. 1000 tonnia vuodessa • Erottelu manuaalisesti, jota seuraa mekaaninen prosessointi • Musta massa myydään tuotteena jalostukseen Maiden täytyy pyrkiä hyödyntämään omia erityispiirteitänsä kierrätyksessä 22
  23. 23. Lähteet [1] https://www.metalbulletin.com/Article/3850557/Search-results/2018-REVIEW-10-things-that- defined-the-battery-raw-materials-markets-this-year.html, haettu 24.1.2019 [2] https://www.lme.com/Market-Data/Reports-and-data , haettu 24.1.2019 [3] By RudolfSimon - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8531033 , haettu 24.1.2019 [4] https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:52017DC0490&from=EN, haettu 24.1.2019 [5] Lithium Process Chemistry, 2015, Chagnes & Swiatowska, Elsevier Science, ISBN: 0128014172 23
  24. 24. Lähteet [7] Winslow et al., Resources, Conservation and Recycling (2018), 129, 263 – 277. [8] Schmuch et al., Nature Energy (2018), 3, 267 – 278. [9] https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Waste_statistics_- _recycling_of_batteries_and_accumulators&stable=0#Recycling_efficiency_for_other_batteries, haettu 25.1.2019 [10] Tirronen et al., Journal of Cleaner Production (2017), 168, 399 – 409. [11] UNEP (2013) Metal Recycling: Opportunities, Limits, Infrastructure, A Report of the Working Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel. Reuter, M. A.; Hudson, C.; van Schaik, A.; Heiskanen, K.; Meskers, C.; Hagelüken, C. [12] Zubi et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 89 (2018), 292 – 308 [13] Valero et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 93 (2018) 178 - 200 24

×