Ce diaporama a bien été signalé.
Nous utilisons votre profil LinkedIn et vos données d’activité pour vous proposer des publicités personnalisées et pertinentes. Vous pouvez changer vos préférences de publicités à tout moment.

Tutu porvali 29_1_19

104 vues

Publié le

Sähköauton akkujen kierrätys

  • Identifiez-vous pour voir les commentaires

  • Soyez le premier à aimer ceci

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

×