חשיבות מחזור סוללות

תוכן עניינים

מחזור סוללות – העתיד של כולנו

כאשר העולם עובר לעבר אנרגיה ירוקה ונקייה, דרך מקורות אנרגיה מתחדשים המשולבים עם אחסון אנרגיה וכלי רכב מחושמלים, דבר אחד נותר ברור – העמידה בדרישה לחומרים המרכיבים סוללות ליתיום-יון (Li-ion) הוא המפתח למעבר מוצלח ובר קיימא לאדמה ירוקה יותר ואויר נקי יותר. עם זאת, איומים על שרשראות האספקה העולמיות של חומרי הסוללה, על קיימות חומרית ועל בעיות אספקה אחרות מטילים ספק בזמינות האספקה הדרושה לכמות העצומה של הצמיחה בתעשיית הסוללות. דבר זה הוא קריטי לעתידן של סוללות הליתיום-יון בכדי לענות על הביקוש הגובר לחומרי סוללות בדרכים בר-קיימא ואחריות חברתית המרחיבות את שרשראות האספקה שלהן ומוסיפות מקורות חדשים של ליצרני הסוללות כדי להשלים את הצמיחה הגדולה של שוק הסוללות.

מה מרכיב סוללת ליתיום

79 אחוז מעלות מייצור סוללות הליתיום הולכת על עלות חומרי הגלם, כבר מנתון זה נוכל להבחין עד כמה החומרים הבודדים ושרשראות האספקה חשובים. סוללות אלה מורכבות מחומרים רבים עם הרכב כימי מדויק בהתאם לסוג הספציפי של הקתודה, האנודה והאלקטרוליט. הקתודה, שהיא האלקטרודה החיובית, היא בדרך כלל תחמוצת מתכת המגיעה במגוון כימיקלים שונים, בהתאם ליישום הרצוי ולדרישות הביצועים של הסוללה. דוגמאות נפוצות לסוגי כימיה במשפחת הליתיום-יון כוללות תחמוצת ליתיום קובלט (LCO), תחמוצת מנגן ליתיום (LMO), פוספט ברזל ליתיום (LFP) ותחמוצת קובלט מנגן ליתיום ניקל (NMC). תכולת הקתודה בדרך נחשבת להיבט הכלכלי הגדול בייצור סוללת ליתיום. מצד שני, האנודה (אלקטרודה שלילית) מורכבת לרוב מגרפיט, הודות ליציבות הכימית של הגרפיט, לביצועים והאפקטיביות שלו ולעלות הנמוכה שלו.

קתודה ואנודה בתא סוללת ליתיום יון

לבסוף, האלקטרוליט הוא המרכיב המאפשר תנועת היונים בין הקתודה לאנודה, והוא מורכב ממלחי ליתיום וממסים ותוספים שונים. מאמר זה יתמקד בעיקר בבחינת שרשראות האספקה של מתכות הסוללה הקריטיות אשר מייקרות את ייצור הסוללה ומשמשות לייצור קתודות ואנודות.

שרשראות אספקה לסוללות ליתיום

את שרשרת האספקה מתחילתה ועד סופה של סוללת ליתיום ניתן לחלק בדרך כלל לתהליך בן חמישה שלבים. השרשרת מתחילה באופן טבעי בכריית החומרים, ולאחריה כל החומרים נשלחים בתהליך זיקוק להכנת החומרים לשימוש בייצור סוללות. בשלב 3 מתחילים לייצר קתודות ואנודות, וכך נוצר אחד ממרכיבי המפתח לסוללת הליתיום. לאחר היווצרות הקתודות והאנודות, תאי סוללת הליתיום-יון מיוצרים כתאים מנסרתיים, שקיקים או גליליים, המהווים את השלב הרביעי בשרשרת האספקה בייצור. בשלב זה, סוללות ליתיום חדשות כדוגמת סוללות 18650, מיושמות בערכות סוללות ליישומים הסופיים שלהן, כגון EV, אחסון אנרגיה או אפילו הטלפון הנייד שלך. להשלמת תהליך זה, הסוללות מונחות בחבילות או במכשירים שלהן.

חשוב לציין כי נכון לעכשיו, שרשרת האספקה הזו היא תהליך ליניארי למדי, ללא מחשבה מתאימה ביחס לסוללות שהגיעו לסוף חייהן. שרשרת האספקה הכוללת של הסוללות עשויה להיראות פשוטה עם חמשת הצעדים שלה, אך יש מסלול מורכב שכל אחד מהחומרים הבודדים המרכיבים סוללה חייב לקבל עדיפות בכניסה לתהליך הייצור. מאמר זה יחקור לעומק רב יותר כיצד נראה כמה חומרים קריטיים הנפוצים ביותר בסוללות ליתיום.

לִיתִיוּם

ליתיום הוא ללא ספק אחת ממתכות הסוללה החשובות בשרשרת האספקה. המכונה לעתים קרובות 'נפט לבן', ליתיום נשאר להיות המרכיב העיקרי בסוללה שגורם לסוללות ליתיום לביצועים כל כך טובים. בשנת 2018 דווח כי עד 2028 צפוי הביקוש לליתיום ביישומי סוללות ליתיום להיות עדיין שריר. אז מאיפה כל הליתיום הזה, לאן זה הולך ואיך משתמשים בו?

יותר מ 80% מייצור הליתיום העולמי מגיע כיום מאוסטרליה, צ'ילה וארגנטינה. אזורים גיאוגרפיים אלה עשירים במאגרי ליתיום ומחצבי סלעים, דבר התורם לפעילות כלכלית רבה לאזוריהם. מכיוון שרוב מרבצי הליתיום בעולם קיימים באזורים אלה, שאר העולם מסתמך על ייבוא ליתיום מהם. מקורות ליתיום קטנים יותר קיימים באזורים אחרים, כגון זימבבואה, פורטוגל, סין, ברזיל, קנדה וארצות הברית. כמו רוב תהליכי הכרייה האחרים, כריית ליתיום ממלח או סלע אינה תהליך ידידותי לסביבה. לאמיתו של דבר, מכרות ליתיום ידועות כמביאות הרס במערכות אקולוגיות מקומיות, ותהליך כריית ליתיום ממלח הוא עתיר מים ביותר.

ליתיום ממיצוי מלח

עם זאת, תהליכי כריית ליתיום חדשים מפותחים כדי לאפשר תהליך הרבה יותר בר קיימא ופחות מזהם. מפעל פיילוט בדרום קליפורניה הוכיח את היכולת להפיק ליתיום ממלח גיאותרמי נגר. מקורות תרמיים מבוקרים של מפתח המשאבים (CTR) צופים כי יוכלו להפיק עד 34,700 טון ליתיום פחמתי בשנה מתוך פעילותם בקליפורניה. לפיתרון רב עוצמה זה יש פוטנציאל לספק כמויות גדולות של ליתיום באזורים שאינם ידועים בייצוא הליתיום שלהם פשוט באמצעות תוצר לוואי של אנרגיה גיאותרמית מתחדשת. מנקודת מבט סביבתית וכלכלית, זה win-win. כאשר הביקוש לליתיום גדל ללא הרף, טכנולוגיה נקייה מתפתחת תחזק את ההיצע באופן בר קיימא.

נכון לעכשיו, ליתיום מספק את השילוב הטוב ביותר בין צפיפות אנרגיה למחיר, כך שנראה כי סוללות מבוססות ליתיום יהיו תקן הזהב של הסוללות לזמן מה. ליתיום הוא בבירור מרכיב חשוב בשרשרת אספקת הסוללות, ולכן כל מחסור בהיצע בעת ניסיון להתאים את הביקוש העולה עלול להזיק לתעשיית הסוללות. הביקוש לליתיום גדל מדי שנה, ועם ייצור מוגבר של סוללות ליתיום צפוי הביקוש הצפוי לליתיום לצמוח עשרות שנים אל העתיד. למעשה, הביקוש לליתיום אמור להיות כמעט משולש עד 2025 ליותר מ -1.5 מיליון טון. אלה חדשות נהדרות עבור התעשייה, אולם חלק מההשקעות בייצור ליתיום האטה מאז 2019 מכיוון שיש חששות גוברים לגבי אספקת חומר זה, בנקודת זמן מכריעה בה סוללות הליתיום-יון מחשמלות את כולן היבטי החיים במאבק נגד שינויי האקלים. יתר על כן, השיטות הנוכחיות לכריית ליתיום פחמתי אינן ברות-קיימא, ולא הוקדשו מספיק משאבים להבטחת אספקה בת-קיימא של ליתיום עוד ועוד.

למרבה המזל, יש פיתרונות שונים, שניתן ליישם בכל מקום שמסלקים סוללות. כאמור, שרשרת האספקה של הסוללות היא די ליניארית ורוב הסוללות מסתיימות כפסולת בסוף חייהם. עדיין, ליתיום לא הוגדר כחומר שיש להחזיר אותו מהסוללות ע"פ חוק. אך עם הטכנולוגיה הנכונה, ניתן להפיק חומרים אלה, כולל הליתיום, מהסוללות הישנות ולהזריקם חזרה לשרשרת האספקה.

ניקל

אמנם ישנם מגוון כימיקלים לקתודות שונות הכלולים במשפחה הגדולה יותר של סוללות ליתיום, אך ישנם שני סוגים המשמשים כמעט אך ורק בתעשיית החשמל: ניקל-מנגן-קובלט (NMC) וניקל-קובלט-אלומיניום. (NCA). המשותף לשתי הסוללות הללו הוא התלות החזקה שלהם בניקל לתפקוד, תלות שצפויה להמשיך ולצמוח בעתיד כאשר יצרני הסוללות עוברים בהדרגה מקובלט לטובת ניקל במאמץ מתמשך להוזיל את עלויות חומרי הגלם. בייצור, חלק זה יעבור בשרשרת האספקה הנוכחית לייצור ניקל ברמת הסוללה (המיוצר כסולפט) ויבחן כיצד יתמודדו גירעונות אספקה צפויים בחלקם על ידי מיחזור נרחב של סוללות ליתיום.

כאשר יצרני קתודות ליון-יון מעוניינים להשתמש בניקל בתהליך שלהם, דרישתם היא שהמוצר יהיה בצורה של ניקל גופרתי. ישנם שני זרמים נפרדים שדרכם מיוצר ניקל סולפט – דרך עפרות ניקל לטרייט או דרך עפרות ניקל סולפיד. עפרות לטרייט מהוות כ -62.4% מהייצור העולמי ואילו עפרות גופרית מהוות את השאר. לטרייט נמצא לרוב באינדונזיה, קובה והפיליפינים, בעוד שהסולפידים מקורם בעיקר בצפון אמריקה, אוסטרליה, סין, רוסיה ו גרינלנד. שני הזנות של עפרות חייבות לעבור מספר שלבים של עיבוד בטמפרטורה גבוהה או הידרומטורגית וטיפולי זיקוק נוספים לפני שהם מגיעים לצורת הסולפט בה הם נכנסים לתהליך ייצור הקתודות, ושלבי ביניים אלה (יחד עם התהליך המקורי של הפקת ניקל מהאדמה) נטל סביבתי כבד בדרך של פליטת גזי חממה.

יתר על כן, מומחי התעשייה צופים גירעון ניכר של אספקת ניקל בעשור הקרוב, בעיקר בגלל הצמיחה בשוק הצפויה של סוללות הליון-יון של NMC, מכיוון שמרכבים חשמליים ממשיכים להיות מאומצים ברחבי העולם בקצב פורה שצפוי להמשיך היטב. אל העתיד. כוחות שוק אלה יפעילו לחץ ניכר על שרשרת האספקה של ניקל והרבה יישומי נקי טק יהיו תלויים בקנה מידה מהיר בכושר הייצור הגלובלי של ניקל סולפט כדי להמשיך ולשמור על שיעורי הצמיחה הצפויים כיום. כמה חברות, כמו טסלה, כבר מחפשות באגרסיביות לנעול את אספקת הניקל בשנים הקרובות כדי לבודד את עצמם מפני גירעונות אספקה צפויים.

גרָפִיט

למרות שלא קיבל תשומת לב רבה כמו כמה מחומרים אחרים הכוללים סוללות ליתיום, גרפיט הוא לרוב המרכיב האישי הגדול ביותר של סוללות ליתיום לפי משקל ומשחק תפקיד קריטי כחומר העיקרי המשמש לאנודות הסוללה הפרוסות בכל סוגי סוללות ליתיום. אמנם יש שונות משמעותית בחומרים המרכיבים את הקתודה של סוללת ליתיום (החל מסוללות ליתיום-קובלט-תחמוצת קובלט גבוהות וכלה בסוללות ליתיום-ברזל-פוספט חופשיות או תחמוצת ליתיום-מנגן) אך האנודה היא כמעט אך ורק. מיוצר באמצעות גרפיט בסוללות הליון-יון מהדור הנוכחי, וכך שרשרת האספקה הגרפית ברמת הסוללה נותרה מוקד עדיף עבור בעלי העניין בתעשייה.

למרבה הצער, ייצור גרפיט שקוע בדאגות סביבתיות ונושא טביעת רגל משמעותית לפליטת גזי חממה כתוצאה מהתהליכים המפיקים את שני סוגי הגרפיט המשמשים לייצור אנודות לסוללות ליתיום, גרפיט טבעי וגרפיט סינתטי. נכון לעכשיו, סין היא היצרנית הגדולה ביותר של גרפיט טבעי בעולם, ומייצרת יותר מפי 6 מאשר היצרנית המובילה השנייה (ברזיל). סין מהווה כ -70% מייצור הגרפיט המוקש בעולם נכון לשנת 2018 ובכך ממלאת תפקיד בלתי נפרד בתמיכה בשרשרת האספקה העולמית של אנודות לסוללות ליתיום. למכרות המייצרים גרפיט זה תועדו השפעות מזיקות על בריאות הכפרים הסמוכים, שם התושבים מדווחים על יבולים פגועים, מי שתייה מזוהמים ואוויר כה עבה עם פיח שמנצנץ בלילה. ממצאים אלה הפעילו לחץ על שרשרת האספקה של ליתיום-יון, אך לטווח הקרוב סין ממשיכה לשלוט בשוק הגרפיט הטבעי.

כרייה של גרפית ברוסיה

 כחלופה, גרפיט סינתטי יכול להציע טוהר גבוה יותר והתנגדות חשמלית נמוכה יותר, מה שהופך אותו לבחירה המועדפת אך ורק מבחינה ביצועית. בשל שיקולי עלויות, רוב האנודות של הליתיום-יון מיוצרות עם תערובת של שני סוגי הגרפיט, אך קיימת מגמה הולכת וגוברת לכיוון השימוש בגרפיט סינטטי ומומחים בתעשייה צופים צמיחה מתמדת בשוק הגרפיט הסינטטי במהלך 4 השנים הבאות. אך גרפיט סינתטי, ממש כמו מקבילו הטבעי, מביא סט מטען סביבתי משלו, הפעם בצורה של פליטת חממות הקשורות לייצורו כתוצר לוואי של כריית פחם או זיקוק נפט. המציאות היא שללא קשר למקור או לסוג הגרפיט, יש טביעת רגל סביבתית משמעותית יחסית הקשורה להכנתו לשימוש בתהליך ייצור הליתיום.

מַנגָן

מנגן הוא חומר חשוב שנעשה בו שימוש בתעשיות שונות במשך מאות שנים. מעניין שהשימוש במנגן מתוארך עד לתקופת האבן בו שימש מנגן דו חמצני כחומר צביעה לציורי מערות. כיום, מנגן נמצא לרוב בפלדה, זכוכית, דשן, תוספים וכמובן סוללות.

מנגן משמש בסוללות ליתיום בעלות כימיה קתודית של תחמוצת ליתיום-מנגן (LMO) או כימיה קתודית של ניקל-מנגן-קובלט (NMC). סוללות LMO מספקות סוללה עמידה שיכולה להישאר יציבה בטמפרטורות גבוהות, מה שהפך אותן מזה זמן מה לבחירה חזקה בכלים חשמליים, מכשירים רפואיים ויישומי רכב חשמלי. הצטברות הקתודה המדויקת של סוללות NMC משתנה באופן משמעותי בהתאם לכמויות היחס של ניקל, מנגן או קובלט שבתוך הסוללה. באופן כללי סוללות NMC הן בחירה מצוינת לרכבים חשמליים בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן ולמעט טסלה, מרבית המכוניות החשמליות המודרניות ביותר מופעלות באמצעות סוללות NMC.

על פי הערכות 70% ממאגרי המנגן העולמיים ניתן למצוא בדרום אפריקה (NS Energy, 2020) ואילו את שאר מקורות המנגן בעולם ניתן למצוא באוסטרליה, סין, הודו, אוקראינה, ברזיל וגאבון. בעוד שדרום אפריקה מחזיקה בתואר כיצרנית היחידה הגדולה בעולם של מנגן (מייצרת קצת יותר משליש מהמנגן הנמצא בשימוש כיום), שוק זיקוק המנגן סובב כמעט אך ורק סביב סין. למרות שסין מהווה רק 6% מייצור המנגן העולמי, סין היוותה 93% מהזיקוק הכימי של מנגן בשנת 2019 (Wirtz, 2020). מסיבה זו, אין כמעט מקורות מקומיים למנגן מזוקק מספיק בכדי לשמש את הסוללה. לכן, כל בעיה פוטנציאלית בשרשרת האספקה שמגיעה מסין עשויה להוביל למחסור במנגן ברמת הסוללה, במיוחד עבור יצרני סוללות בצפון אמריקה (NA ייצרה 0 טון מנגן בשנת 2019) או באירופה.

בתגובה לכך, יש לקבוע מגוון מקורות מקומיים של מנגן סוללה על מנת להבטיח שרשרת אספקה חזקה יותר עם מספר קישורים היוצרים הזדמנויות לחומר מחוץ לסין. השקעה בזיקוק כימי של מנגן בסוללה תהיה צעד מרכזי להרחבת רשת שרשרת האספקה. הביקוש לחומר סוללה מנגני פרימיום יוצר מרווח כלכלי גבוה יותר מאשר מנגן לחומרים אחרים. לכן, יש תמריץ חזק לבנות את ההיצע של דרגה זו של מנגן, ועשייה בכל רחבי העולם בקנה מידה אזורי היא האופציה החזקה ביותר עבור רשת שרשרת האספקה. אנו מתעדים בעתיד לעשות כן גם בארץ.

קובלט:

קובלט הוא מרכיב קריטי בקתודות סוללות ליתיום ליישומי אנרגיה וכוח גבוהים. משתמשים בו בעיקר ברכבים חשמליים כחלק מסוללות ה- NMC וה- NCA המשמשות כמקור החשמל לרכבים אלה, והוא נמצא גם בסוללות הכלולות במכשירי כף היד המשמשים מיליארדי אנשים ברחבי העולם.

הרפובליקה הדמוקרטית של קונגו (DRC) מהווה כמעט שני שלישים מהיצע הקובלט העולמי. עם זאת, חלק מהתעשייה של ייצור קובלט בקונגו תועדה  משתמשת בעבודת כפיים של ילדים. בנוסף, הרוב המכריע של הקובלט ממוקש כתוצר לוואי של נחושת וניקל, ולפיכך אספקת הקובלט הייתה יחסית לא אלסטית. השחקנים העיקריים בענף זיקוק הקובלט נמצאים בסין, פינלנד, נורבגיה, בלגיה, זמביה, יפן וקנדה. זה מדגים את העומק של רשת שרשרת האספקה העולמית של קובלט, גם אם רוב הייצור העיקרי שלה קורה בקונגו.

לאחרונה, יצרני רכב EV ויצרני סוללות מבצעים צעדים לאבטחת קובלט שמקורו באחריות, במיוחד לנוכח ההשלכות החברתיות השליליות של כרייה ע"י ילדים. לדוגמה, וולוו משתמשת בטכנולוגיית בלוקצ'יין כדי לעקוב אחר חומריהם ומקורם בצורה אתית ואחראית. כמו כן, טסלה חתמה על חוזה עם ענקית הכרייה גלנקור להבטחת מקור קובלט אמין מהרפובליקה הדמוקרטין של קונגו למפעל הייצור החדש שלהם בברלין. מבחינת ההשלכות החברתיות והסביבתיות של הכרייה בקונגו, טוענת טסלה כי הם "עשו מאמץ משמעותי לבסס תהליכים להסרת סיכונים אלה משרשרת האספקה שלנו" וההתמודדות שלהם עם גלנקור משקפת את התהליכים הללו.

עם זאת, בשל הביקוש הגובר לחומרי סוללה, ההשלכות השליליות של כריית קובלט חסרת אחריות בקונגו ימשיכו לעלות עד שיימצאו מקורות אמינים חדשים של החומר. האם מחזור של סוללות ליתיום יכול להקל על האתגרים הנוכחיים ולטווח הקצר של קובלט? בקיצור, כן – עד 2025, מחזור סוללות ליתיום יכול לענות על 20% מהביקוש העולמי החזוי לקובלט. בתורו, מחזור סוללות ליתיום יפחית את ההשפעות החברתיות והסביבתיות של כרייה אומנותית ב DRC. יתר על כן, מחזור יכול להקל על תנודות מחירים דרסטיות בקובלט ובחומרים קריטיים אחרים, כמו גם על התלות בכרייה ובזיקוק לעתיד.

סיכום

ניכר כי אספקת חומרי הסוללה עשויה לעמוד בקשיים רבים בכדי לעמוד בקצב הביקוש החסר תקדים. ליתיום, ניקל, גרפיט, מנגן וקובלט הם חיוניים לייצור סוללות הליתיום-יון, וכרגע הם מסופקים באמצעות רשתות אספקה שאינן קיימות ופגיעות. אמנם תפקידם של מקורות משניים לחומרים אלה אינו יכול להחליף לחלוטין את הצורך בייצור ראשוני, אך ראוי לציין כי פתרונות כגון התאוששות משאבים מפסולת יכולים לסייע בחיזוק שרשראות האספקה באופן בר קיימא. העולם עובר במהירות לחשמול כתוצאה מתלות הולכת וגוברת בטכנולוגיית סוללות ליתיום, אנו מאמינים מאוד כי על ידי בניית רשת גלובאלית מספקת של יכולת מחזור ליתיום אנו יכולים לעזור להבטיח שיש מספיק בר קיימא- חומרים שמקורם בכדי לשמור על מעבר לאנרגיה ירוקה לחלוטין.

S.B Energy
פתרונות אנרגיה

המרכז הישראלי לייצור ומכירת מוצרי ליתיום יון. ברשותנו מעבדה מתקדמת לייצור סוללות ליתיום יון. לאופניים חשמליות, לקורקינטים, לטרקטורונים וקטנועים ועוד… ובנוסף אנו מוכרים באתר ובחנות את כל חומרי הגלם הנדרשים.

ייצור כחול לבן
תו תקן ישראלי
מוצרי ליתיום
סוללות לאופניים
סוללות לקורקינט
סוללות לטרקטורון
קטגוריות מידע נוספות
מידע נוסף בנושא
לקבלת עזרה ויצירת קשר

נא למלאות את הטופס ונציג יצור איתך קשר בהקדם האפשרי.