Honnan lesz elegendő lítium és kobalt az akkumulátorokhoz?

Napjainkban az elektromobilitás elképzelhetetlen a nagy kapacitású villamosenergia-tároló eszközök nélkül. A forgalomba állítani szándékozott elektromos hajtású járművekhez több akkumulátorra, azoknak pedig egyre több ritkafémre van szüksége. Vajon milyen forrásból és meddig biztosítható ez az igény?

A szaksajtóban havonta jelenik meg hír arról, hogy valahol még újabb, minden eddiginél nagyobb kapacitású, hosszabb élettartamú, gyorsabban tölthető akkumulátort találtak fel, fejlesztettek ki. Mindezek dacára világszerte épülnek a ma már hagyományosnak mondható, lítiumra és kobaltra alapuló technológiát alkalmazó gyártó telephelyek. Minden autógyár saját akkumulátorgyárat akar, természetesen nagyot, mert csak akkor lehet versenyképes áron áram hajtotta személygépkocsit előállítani. Persze, ha lesz hozzá elegendő alapanyag…

Kínai kézben a lítium

Ma már szinte minden iparágban kulcsfontosságú szerepet kapnak a ritkaföldfémek. Érdekes, hogy a ritkaföldfémelemek – nevükkel ellentétben – egyáltalán nem olyan ritkák. Még a legritkábban előfordulók is 200-szor gyakoribbak, mint az arany. A ritkaföldfémek iránti kereslet növekedését az elektronikai ipar fejlődése indította be a 60-as években, amikor a színes televíziók kezdtek elterjedni. Napjaink legnagyobb felhasználói a technológiai vállalatok, az autó- és akkumulátorgyártók, a kommunikációs eszközök gyártói és a védelmi ipar.
A problémát az jelenti, hogy ezek a fémek mindössze a bolygó néhány pontján fordulnak elő olyan koncentrációban, hogy gazdaságosan ki is lehessen őket termelni. Egy 2017-es becslés szerint mindössze 13 ország rendelkezik számottevő tartalékkal, ezek között Kína a legnagyobb. Az ország a 80-as években indította be a termelését, és a 90-es évekre a világ vezető exportőre lett. Részesedése 2010-ben érte el a csúcsát, amikor is a globális ritkaföldfém-kitermelés 95 százaléka Kínában történt. Azóta volt némi visszarendeződés, de továbbra is 80 százalék körüli a részesedése. (Lásd a grafikont!)

Ritkaföldfém-termelés 2017-ben

Manapság – joggal – nem szeretjük a monopolhelyzeteket. Esetünkben Kína gyakorlatilag ilyen helyzetben van, és már megszellőztették, hogy készek akár visszaélni a pozíciójukkal. Amikor Trump amerikai elnök szankciókat jelentett be Kína ellen, a távol-keleti ország első számú embere, Hszi Csin-ping máris finoman érzékeltette, hogy a ritkaföldfémek exportjának korlátozásával vágnának vissza az Egyesült Államoknak. Bár az USA ipara kínosan függ a kínai ritkaföldfémexporttól, azonban ez a lépés a kínai gazdaságnak is fájna, tehát Kína egyelőre inkább csak fenyegetőzik, mintsem cselekedne.

Kongói a kobalt

Egyetlen Tesla-akkuhoz 4,8 kilogramm kobalt kell. 2018-ban egymillió elektromos autót adtak el, 2030-ra pedig 340 milliósra nőhet a gyártás. Az akkumulátor pozitív elektródáján felhasznált kobalt drágább, mint a katódhoz szükséges lítium, nikkel, magnézium vagy alumínium összesen.

A világ kobalttermelése 2017-ben

A kobalt kínálatának bizonytalanságát több tényező is okozza. Az egyik, hogy egymagában ritkán fordul elő, jellemzően kb. kétharmada a réz-, egyharmada pedig a nikkelbányászat melléktermékeként kerül a felszínre. Így a kobalt kínálata nem kis részben a másik két fém piacától függ: ha ugyanis csökken például a réz iránti kereslet, a kitermelés tovább növeli a kobalt árát. A másik gond, hogy a 2017. évi 114 ezer tonnás globális kobaltfelhozatal kétharmadát a világ egyik legszegényebb országa, a Kongói Demokratikus Köztársaság adta, és az afrikai ország részesedése csak tovább nő: 2018-ban már mintegy 70 volt, az évtized végére pedig 75 százalék lesz.
A polgárháborúktól, törzsi erőszaktól és hadurak kegyetlenkedéseitől sorozatosan sújtott közép-afrikai ország délkeleti részén, az úgynevezett rézövezetben bányásszák a kobalt nagy részét. A termelés 20 százalékát a franciául creuseurs-nek (kotróknak) hívott, kilátástalan helyzetben lévő „egyéni vállalkozók” adják, akik gyakran puszta kézzel dolgoznak, míg a fennmaradó négyötödért a multinacionális (de főleg kínai) cégek birtokában lévő nagyüzemi bányák a felelősek [1].

Kobaltbányász gyerek

A kitermelt kobaltásványokat még Kongóban kobalt-hidroxiddá finomítják, majd ebben a formában szállítják a tengeri kikötőkbe, ahonnan hajón viszik tovább főként Kínába (hiszen ott állítják elő a világ elektronikai termékeinek jó részét, így a kobaltigény is náluk jelentkezik legfokozottabban). Az egyéni kotróktól is kínai felvásárlók veszik át az ércet. Az Amnesty International szerint Kongóban 255 ezer kotró bányászik kobaltot, közöttük 35 ezer gyerek, akik sok esetben csupán hatévesek [2].
A kongói kormány tudatában van a kobaltpiacon elfoglalt monopolhelyzetének. Ennek keretében a Gécamines nevű állami bányatársaság például közvetlen megállapodásokra készül az akkumulátorgyártókkal. Erre a másik oldalon is van igény, hiszen az amerikai Apple, valamint a német BMW és a Volkswagen is azt tervezi, hogy közvetlenül a bányatársaságoktól szerzi be a szükséges kobaltot.
Ám a baj nem jár egyedül. Nemcsak megbízhatatlan kezekben van a kobalt, de lassan ki is merülnek az ismert források. A Bloomberg által megjelentetett Citigroup-elemzés szerint 2022 lesz az utolsó olyan év, amikor a világtermelés fedezi a gyártói szükségleteket, ezt követően hiány állhat be az értékes nyersanyagból [3].

Megoldási lehetőség #1: adatbányászat

Ugyanez a Bloomberg-elemzés bemutat egy céget, amely újszerű módon tárná fel az eddig nem ismert kobaltlelőhelyeket. A Bloomberg szerint a „földkéreg Google-térképét" készítené el a Kobold Metals, hogy így bukkanjon nyomára a feltáratlan kobalttartalékoknak. A Kobold Metals speciális algoritmusok révén elemezne nagy adatsorokat, azaz „big data"-kat, csak épp ezek az adatok földtani és geográfiai jellegűek.
Kurt House, a Kobold Metals vezetője azt mondta, tekintélyes nagyságú befektetéshez jutottak, ami megteremti a hátteret arra, hogy úgy kutassanak kobalt és nikkel után, ahogyan korábban mások nem. Nem kisebb helyről kapták meg az anyagi hátteret, mint a Szilícium-völgy egyik nagybefektetői alapjától, a Breakthrough Energy Venturestől, melyet olyan ismert milliárdosok alapítottak, mint Bill Gates, Ray Dalio, Michael Bloomberg, illetve a világ jelenleg leggazdagabb embere, Jeff Bezos. De a cég mögé állt az Andreessen Horowitz is, melynek egyik partnere elmondta: valóban bíznak abban, hogy úgy sikerül feltérképezni a földkéreg egyes rétegeit, ahogyan eddig soha. House elmondta: adatelemzéseik fókuszában azok a geológiai sajátosságok állnak, melyek jelentős kobaltkoncentrátumot sejtetnek egy adott helyszínen. Észak-Amerikában máris több ilyet azonosítottak, és remélik, még többet találnak. Egy kobaltkereskedő vállalat ennek kapcsán megjegyzi: az 50 új kobaltfeltárás többsége Ausztrália, illetve Kanada területén van.
Más bányavállalatok példája már bizonyítja, milyen nagy szerepe lehet a korszerű információtechnológiának ebben az iparágban is. A Barrick Gold például 2016 óta működik együtt a Cisco Systemsszel. A vállalat a valós idejű adatelemzésnek köszönhetően jelentősen növelte a kitermelési hatékonyságot telephelyein.
Itt kell megjegyezni, hogy nem mindenki él az informatikai megoldásokkal. Így például a szerbek sem, akik ez év augusztusában jelentették be, hogy a Jadar-völgyben 200 millió tonna nagyságú, jadaritnak nevezett, lítiumot és bórt tartalmazó ásványkészletet találtak (4. ábra). Sőt Ausztria, Csehország és Románia is ritkaföldfémbányákat akar nyitni. Kérdés csak a kitermelés rentabilitása, hiszen az ajtón kopogtatnak az újabb megoldások.

4. ábra.

Megoldási lehetőség #2: tenger alatti bányászat

A US Geological Survey szerint a Föld felszínének kb. felét kitevő mélytengerben több nikkel, kobalt és vélhetően egyéb ritkaföldfém található, mint a szárazföldi lelőhelyeken. Ezen a térképen [4] látható, hogy a Földön hol vannak a nagy óceáni nyersanyaglelőhelyek. Az országok partvidékein legális lehet a bányászat, de nemzetközi vizeken egyelőre nem az. A US Geological Survey azt várja, hogy 2030-ra a ritkafémek kb. 5%-a, 2050-re pedig 15%-a mélytengeri bányászatból származik majd.

Tenger alatti lelőhelyek

A tenger alján található potenciális zsákmányra először 1873-ban figyeltek fel, amikor egy, a Kanári-szigetek felfedezésére induló brit hajó, a HMS Challenger az Atlanti-óceán északi részén kiemelt „több különálló, fekete ovális testet, amik majdnem tiszta mangán-oxidból álltak”. Akkoriban a mangánt a legnagyobb angliai iparág, a textilgyártás használta fel a pamut fehérítésére. A későbbiekben ez a vonal kiesett az érdeklődés fő irányából, inkább csak a futuristák ismertterjesztő írásai szóltak róla. Ma már közvetlenül a megvalósítása előtt állunk. Egy új Greenpeace-jelentés szerint a cégek sorban állnak azért, hogy fémeket és ásványokat bányászhassanak ki a világ óceánjai mélyéről [5]. Ebből kiderül, hogy bár még nem kezdték el a mélytengeri bányászatot, 29 kutatási engedélyt már ki is adott az ENSZ égisze alatt 1982-ben létrehozott testület, a Nemzetközi Tengerfenék Hatóság (amiben egyébként Szijjártó Péter, külgazdasági és külügyminiszter képviseli Magyarországot) a Csendes-, az Atlanti- és az Indiai-óceán területeire, összesen 1,3 millió km2-re, ami ötször akkora, mint az Egyesült Királyság. A bányászok nagy gépeket engednének le a tengerfenékre, hogy kobaltot és más ritkafémeket ássanak ki. A Nemzetközi Tengerfenék Hatóság jövő júliusra véglegesítheti a szabályozást – írja a Financial Times [6]. Olyan nagy cégek is versenyeznek, mint a kínai állami Minmetals vagy a Lockheed Martin amerikai biztonságtechnológiai és repülőgépipari konglomerátum.

Robotbányász karja Pápua Új-Guinea mellett a tengerben

Környezetvédők szerint ez a bányászat nemcsak létfontosságú ökoszisztémákat fenyeget, de az éghajlatváltozás elleni globális küzdelmet is akadályozhatja. Azt mondják, az óceánok kulcsfontosságúak a szárazföldi túlélésünk szempontjából is, a mélytengeri (azaz a 200 méternél mélyebben folyó) bányászat a vízi élővilág és az emberiség számára is pusztító következményekkel járna. Szerintük az óceánfenék kevéssé megértett régióinak megsemmisítése mellett a műveletek elmélyítik a „klímavészhelyzetet” a tengerfenék üledékeiben lévő szénraktárak megzavarásával, csökkentve az óceán képességét arra, hogy tárolja azokat. Úgy vélik, láttuk, hogy már a szárazföldi bányászat is mekkora károkat okozott, és az óceánok mélyén még csak fel sem tudnánk mérni a pusztítás mértékét, akár visszafordíthatatlan károkat is okozhatunk.
Elemzők szerint a lítiumkitermelés napjainkra már annyira túlpörgött, hogy várhatóan 2025-ig csökkenni fog a világpiaci ára. Ez pedig azért is érdekes, mert akkorra ígérik a nagy gyártók a következő generációs akkumulátorokat. Például a szilárdtest-akkumulátorokat, amikhez más formában ugyan, de még mindig kell majd lítium, bár vannak olyan fejlesztési irányok is, amik teljesen elhagyják azt [7].

Megoldási lehetőség #3: újabb akkumulátorfajták

A fenti problémák miatt (is) a gyártók most szinte egy emberként fordítják tekintetüket egy új technológiájú katód, az NMC 811-es jelzésű eszköz felé [8]. Az NMC 811 katód 80 százalékban nikkelt, 10 százalékban mangánt és 10 százalékban kobaltot tartalmaz, ennek az ötvözetnek köszönhetők a korábbiaknál jobb tulajdonságai. Ez jól hangzik: kevesebb kobalt kell hozzá! Ám belép a játszmába egy másik fém, a nikkel. Míg a kobalt miatt csak 2024 után kell aggódni, a nikkelnél viszont nincs mire várni. Az elemzők azt mondják, már most új nikkel-projekteket kellene indítani ahhoz, hogy a bányák egy évtized múlva a megfelelő ütemben termelhessenek [9].
A fejlesztés egyébként nem teljesen új: már egy ideje használták azt kutatólaborokban és más, eredendően nem profitorientált szektorokban. A technológiai megoldásról egyébként először 2017-ben lehetett hallani, majd 2018-ban már sok minden kiderült róla: nevezetesen, hogy tényleg jobb, mint az elődei, az abból is látszik, hogy már gyártani is szeretnék. Az SK Innovation a Volkswagen konszernnel és kínai partnerekkel tárgyal egy elkülönítetten működő közös akkumulátorgyártó üzletág elindításáról. Ezzel az új generációs eszközzel az e-autóknál elérhető egy régen vágyott mérföldkő: olcsóbban és hatékonyabban lehet azokat működtetni, akár 500 kilométeres távolságig, és ami fontos, az iparági konszenzus szerint végre nagyjából azonos költségen, mint egy hagyományos, belső égésű motor esetében jelentkezne.
A Tesla még tovább menne: Elon Musk azt állítja, hogy az ő új akkumulátoruk 1 millió mérföld (azaz 1,6 millió km) után sem megy tönkre. Ezzel összefüggésben Jeff Dahn, a kanadai Dalhousie-i Egyetem tudósa – aki egyben a Tesla akkumulátorokat fejlesztő csapatának vezetője – publikált egy szakcikket a Journal of the Electrochemical Society című tudományos lapban [10]. A Dahn által tesztelt, grafitot is tartalmazó lítium-ion akkumulátornál azt tapasztalták, hogy 20 Celsius-fokon kapacitásának alig 4 százalékát veszítette el azután, hogy 2,25 év alatt mintegy 3400 alkalommal töltötték fel teljesen. Tapasztalatuk szerint a fenti hőmérsékleten 1,3 év alatt egyetlen százalékot sem romlott a kapacitás, míg 40 Celsius-fokon már 3 százalékos volt a romlás ugyanennyi idő alatt. Persze felmerül a kérdés: hogyan lehet „ideális hőmérsékleten” tartani a szerkezetet ilyen hosszú időn keresztül? Ezzel együtt a vizsgálatok azt mutatják, a technológiában még bőven van potenciál…

A kapacitás várható változása teljes töltési ciklusonként – lila és zöld az új fejlesztés

Dahn szerzőtársaival arról is írt, hogy már tesztelték az akkumulátort, amellyel több mint 1 millió mérföldet sikerült megtenni anélkül, hogy annak kapacitásában jelentős változás állt volna be. Ez azt is jelentheti, hogy ideális körülmények között egy akkumulátor akár évtizedeken át is képes lehet kiszolgálni a tulajdonosát! Vagyis: egy ilyen pakk tovább marad használható, mint maga az autó – ami jó lehetőséget kínál a másodlagos hasznosításhoz.