هم‌زمان با رشد بازار باتری‌های شارژی و تداوم افزایش تقاضا در این بازار، نیاز به استخراج مواد معدنی موردنیاز در ساخت این باتری‌ها نیز به شدت افزایش یافته است. با این میزان تقاضا، چالش‌ها و فرصت‌های جدیدی در بخش‌های مختلف صنایع و بخصوص صنعت معدن ایجاد شده است. در این مقاله به مواد معدنی مورداستفاده در باتری‌های شارژی، چالش‌ها و ریسک‌های متناظر با تولید آن‌ها می‌پردازیم.
نگرانی‌های اقلیمی
انتشار گازهای گلخانه‌ای انسانی (GHG) از زمان انقلاب صنعتی قرن نوزدهم، باعث افزایش قابل‌توجهی در غلظت دی‌اکسیدکربن (CO2)، متان (CH4) و اکسید نیتروژن (N2O) در اتمسفر زمین شده است. از طرفی، تولید گازهای گلخانه‌ای اصلی‌ترین عامل در بروز تغییرات اقلیمی نگران‌کننده در دهه‌های اخیر بوده است. در پاسخ به ریسک‌های متناظر با تغییرات اقلیمی، در سال ۲۰۱۵ کشورهای جهان به توافقی رسیدند (توافقنامه پاریس) که در آن توسعه پایدار، کاهش انتشار در صنایع و سرمایه‌گذاری در انرژی‌های پاک به‌عنوان اصلی‌ترین فعالیت‌های واکنشی تعریف شدند.
بنا بر برخی از تخمین‌ها، شکست در سیاست‌های پایدارسازی و کاهش انتشار CO2 و سایر گازهای گلخانه‌ای تا سال ۲۰۳۰ منجر به یک خسارت اقتصادی مستمر به میزان ۲ میلیارد دلار در روز خواهد شد. از طرفی، مصرف سوخت‌های فسیلی در مصارف عمومی و فرایندهای مختلف در صنایع، ۶۵ درصد کل انتشارها را باعث می‌شود. بنابراین، نیاز به تحول انرژی در بخش‌های مختلف صنعت الزام‌آور است.
چنین تحولی، نیازمند استفاده از انرژی‌های جایگزین، به‌جای سوخت‌های فسیلی، است. به همین دلیل، ساخت توربین‌های بادی، پنل‌های خورشیدی و انرژی‌های تجدیدپذیر دیگر در چند سال اخیر در کانون توجه کشورها بوده است.
یکی از اصلی‌ترین کانون‌ها مصرف انرژی، بخش حمل‌ونقل است. تقریباً، ۳۷ درصد CO2 تولیدی، نتیجه فعالیت‌های بخش حمل‌ونقل است. برای حل چالش اقلیمی موجود در این بخش، تولید خودروهای و سایر وسایل حمل‌ونقل الکتریکی رشد فزاینده‌ای را تجربه کرده‌اند. در کانون این تحول، به‌عنوان جایگزین سوخت‌های فسیلی، تولید باتری‌های شارژی در یک دهه اخیر رشد بالایی داشته و انتظار می‌رود ارزش بازار آن‌ها در سال ۲۰۳۰ به بیش از ۱۵۰ میلیارد دلار برسد (با نرخ رشد سالانه ۵.۳ درصد).
تأثیر فعالیت‌های معدنی بر تغییرات اقلیمی
در حال حاضر، صنعت معدن مسئول تولید ۴ تا ۷ درصد از کل گازهای گلخانه‌ای انتشاری است. در حوزه ۱ و ۲ از انتشار CO2 (انتشارهای حاصل از عملیات معدنی و مصرف برق)، معادن مسئول انتشار ۱ درصد از کل گازها هستند؛ برآوردها از میزان انتشار متان، بیشتر حاصل از استخراج زغال‌سنگ، بین ۳ تا ۶ درصد است. اما در حوزه ۳، تقریباً ۲۸ درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای به‌گونه‌ای با فعالیت‌های معدنی ارتباط دارد.
از طرفی، تحول در بخش انرژی و بخصوص تولید باتری‌های شارژی نیازمند توسعه چند صددرصدی در بخش معدن و افزایش استخراج در برخی از مواد معدنی خاص است. از میان این مواد معدنی، برخی بسیار کمیاب و غیرقابل‌جایگزین هستند؛ بنابراین، چالش‌های مدیریتی و برنامه‌ریزی بزرگ‌تری را به همراه دارند.
رده بالایی از این مواد معدنی تحت عنوان کمیاب و استراتژیک دسته‌بندی می‌شوند. نقش این مواد در کاهش گازهای گلخانه‌ای بسیار حیاتی‌تر است. برای مثال فلزات کمیابی چون گروه فلزات پلاتینیم تنها در چند کشور خاص (مثل آفریقای جنوبی و روسیه) استخراج می‌شوند و هیچ جایگزینی ندارند. فلزات دیگری چون لیتیوم، منگنز، مس و مواد معدنی چون گرافیت، اصلی‌ترین بازیگران تحول دیجیتال و انرژی هستند که منابعی محدود و روبه کاهشی دارند.
ساخت نیروگاه‌های بادی، خورشیدی و هسته‌ای کاملاً به این فلزات بستگی دارد. علاوه بر این، تولید هر آنچه باتری شارژی خوانده می‌شود، بدون وجود این فلزات حیاتی غیرممکن است.
باتری‌های شارژی: هسته تحول در بخش انرژی
باتری‌های شارژی وسایل ذخیره انرژی هستند که پس از تخلیه شدن قابلیت شارژ دوباره و استفاده مجدد را دارند؛ به عبارتی، واکنش‌های شیمیایی که جریان را نتیجه می‌شوند را می‌توان به‌صورت برعکس و برای شارژ باتری استفاده کرد. این باتری‌ها اصلی‌ترین منبع انرژی در خودروهای الکتریکی، تجهیزات برقی خانگی و …، هستند. همچنین، این محصولات در تحول انرژی نقش مهمی دارند و زمانی که نیروی تولیدی نیروگاه‌های بادی یا خورشیدی در دسترس نباشد، اولین جایگزین هستند.
چندین نوع از باتری‌های شارژی مانند باتری‌های سرب اسید، لیتیوم یونی (Li-ion)، نیکل-فلز هیدرید (NiMH) و نیکل-کادمیم (NiCd) وجود دارند. باوجوداین، به دلیل توان بالاتر و ویژگی‌های فنی (مثل کوچک و سبک‌تر بودن)، باتری لیتیوم یونی بیشترین کاربرد را دارد. علاوه بر این، باتری‌های لیتیوم یونی به تعداد بیشتری قابل شارژند و طول عمر بلندتری دارند.
اجزای باتری لیتیوم یونی
اجزاء اصلی در یک باتری لیتیوم یونی عبارت‌اند از:
- مواد فعال کاتدی و آندی
- الکترولیت‌ها
- جداکننده‌ها
هرکدام از این اجزاء وظیفه و عملکرد خاصی در باتری دارند. توضیح جزئیات عملکردی باتری لیتیوم یونی خارج از اهداف این مقاله است؛ به‌عنوان نمونه، نقش آند ذخیره و رهاسازی یون‌های لیتیوم به کاتد و عبور جریان از مدارهای الکتریکی باتری است.
در ساخت ۳ جزء اصلی در باتری لیتیوم یونی، ۴ عنصر اصلی‌ترین نقش را بازی می‌کنند. این مواد عبارت‌اند از:
- کبالت
- لیتیوم
- منگنز
- گرافیت طبیعی
| مؤلفه | عملکرد | مواد |
| کاتد | انتشار یون‌های لیتیوم به آند در هنگام شارژ و دریافت یون‌های لیتیوم در هنگام تخلیه | پودر اکسید فلز لیتیوم |
| آند | دریافت یون‌های لیتیوم در هنگام شارژ و انتشار آن‌ها در زمان تخلیه | پودر گرافیت |
| الکترولیت جداکننده | عبور دادن یون‌های لیتیوم بین کاتد و آند جلوگیری از اتصال کوتاه بین کاتد و آند عبور دادن یون‌های لیتیوم از منافذ جداکننده | نمک لیتیوم و محلول‌های ارگانیک غشاهای میکرو-منفذدار |
شکل ۱ نقش فلزات اساسی در تولید باتری‌های شارژی
مروری بر محصولات معدنی مورداستفاده در ساخت باتری
چنانکه عنوان کردیم، کبالت، لیتیوم، منگنز و گرافیت اصلی‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده باتری لیتیوم یونی هستند. در ادامه ویژگی‌ها، وضعیت بازار و چالش‌های معدنی متناظر با هرکدام از مواد را بررسی می‌کنیم.
کبالت
کبالت اولین بار در اواخر عصر برنز، قرن شانزدهم قبل از میلاد، در تولید رنگ‌دانه و در مصر به کار گرفته شد. شکل فلزی کبالت در سال ۷۳۵ توسط شیمیدان سوئدی جداسازی شد اما کاربردهای فلز کبالت سال‌ها بعد بروز کرد.
کبالت ۲۷امین عنصر جدول تناوبی با رنگ نقره خاکستری است که به دلیل مقاومت بالای آن در برابر سایش، نقطه ذوب بالایی دارد. کبالت همچنین خاصیت آهنربایی دارد و این خاصیت را تا دمای ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز حفظ می‌کند. آهن و نیکل تنها فلزات طبیعی هستند که چنین ویژگی‌هایی دارند.
تخمین می‌شود که میزان کبالت قابل‌استخراج زمین در حدود ۲۵ میلیون تن باشد. بیشتر این منابع در ذخایر مس چینه‌ای رسوبی در کنگو و زامبیا مستقرند.
شکل ۲ سهم مناطق مختلف دنیا از ذخایر قابل‌استخراج کبالت
به دلیل مقاومت بسیار بالای کبالت در برابر سایش و گرما، از این فلز در ساخت تجهیزات حساس، مانند بخش هواپیماسازی و ناوبری، استفاده می‌شود. برای مثال، در ساخت موتورهای جت، توربین‌های بادی و خورشیدی و سفینه‌های فضایی، کبالت نقشی اساسی دارد.
تقریباً ۵۰ درصد از کبالت استخراجی، در تولید باتری‌های لیتیوم یونی صرف می‌شود. از این باتری‌ها بخصوص در لپ‌تاپ، گوشی‌های همراه و خودروهای الکتریکی استفاده می‌گردد. ارزش بازار کبالت در حدود ۸.۹ میلیارد دلار است و انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۷ به بیش از ۱۸ میلیارد دلار برسد.
لیتیوم
منشأ لیتیوم به سال ۱۸۰۰ و کشف ماده معدنی پتالیت در معدنی در جزیره‌ای سوئدی برمی‌گردد. بعدها، شیمیدانان سوئدی وجود لیتیوم، به‌عنوان عنصری مجزا، در پتالیت را تشخیص دادند. این عنصر تشابهات زیادی با سدیم و پتاسیم دارد (که در سال ۱۸۰۷ کشف‌شده بودند). بعدها مشخص شد که لیتیوم در مواد معدنی دیگری چون اسپودومن و لپیدولیت نیز وجود دارد.
لیتیوم سومین عنصر جدول تناوبی و با رنگی نقره‌ای است. این فلز نقطه ذوب پایینی دارد و چگالی آن از تمام فلزات دیگر پایین‌تر است. به‌ویژه، هیدروکسید لیتیوم در تولید مواد کاتدی برای باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌شود. شیلی بزرگ‌ترین کانون استخراج لیتیوم در جهان است. همچنین، میزان کل لیتیوم قابل‌استخراج، ۶۲ میلیون تن برآورد شده است.
شکل ۳ سهم مناطق مختلف دنیا از ذخایر قابل‌استخراج لیتیوم
ارزش بازار لیتیوم در حدود ۶.۸ میلیارد دلار است و انتظار می‌رود سالانه ۱۲ درصد رشد کند.
گرافیت طبیعی
گرافیت طبیعی در اوایل قرن ۱۶ام در شمال انگلیس کشف شد. این ماده نیز در ابتدا به‌عنوان یک ترکیب رنگی استفاده می‌شده است؛ همچنین، تولید جوهر برای نوشتن از قدیمی‌ترین کاربردهای گرافیت است. ازآنجاکه گرافیت طبیعی از کربن تشکیل‌شده است (در گرما و فشار زیاد)، در اوایل قرن بیستم پتنت‌هایی در تولید گرافیت به شکل مصنوعی معرفی شدند.
رنگ گرافیت خاکستریِ مایل به سیاه و جنس آن بسیار نرم و کریستالی است. گرافیت در شرایط مختلف خواص فلزی و غیرفلزی دارد و در صنایع مختلف به کار گرفته می‌شود.
کل منابع قابل‌استخراج گرافیت در حدود ۱.۵ میلیارد تن تخمین‌زده شده‌اند. بیشترین منابع گرافیت در ترکیه، چین و برزیل واقع شده‌اند. کاربرد اصلی گرافیت در فولادسازی و استفاده از خاصیت نسوز بودن آن در متالورژی است.
شکل ۴ سهم مناطق مختلف دنیا از ذخایر قابل‌استخراج گرافیت
منگنز
مشابه با موارد قبلی، منگنز نیز در ابتدا به‌عنوان ماده‌ای برای رنگ کردن مورداستفاده قرار می‌گرفت. تقریباً ۳۰ هزار سال پیش در فرانسه، از اکسید منگنز برای نقاشی بر دیوارها استفاده می‌شده است. حالت فلزی آن در ۱۷۷۴ و باهم در سوئد کشف شد. سال‌ها بعد، قرن نوزدهم، از منگنز به‌عنوان ماده‌ای برای استحکام بخشیدن به قطعات آهنی استفاده شده است.
منگنز ۲۵امین عنصر جدول تناوبی با خواصی مشابه با آهن است. رنگ آن نقره‌ای و نقطه‌جوشی نزدیک به ۱۲۴۶ درجه سانتی‌گراد دارد. منگنز به‌عنوان عنصری طبیعی و مستقل استخراج نمی‌شود، بلکه در مواد معدنی دیگری چون مگنتیت، پورپوریت، رودونیت، رودوکروزیت و پیرولوزیت یافت می‌شود.
تقریباً ۹۰ درصد از منگنز استخراجی، در تولید فولاد صرف می‌شود. ده درصد باقیمانده معمولاً سر از کارخانه‌های تولید باتری‌های لیتیوم یونی درمی‌آورد. میزان قابل‌استخراج منگنز تقریباً ۱۷ میلیارد تن است. بیشترین منابع منگنز در کشورهای آفریقای جنوبی، اوکراین، برزیل و استرالیا قرار دارند. ارزش بازار منگنز در حدود ۲۶ میلیارد دلار است و انتظار می‌رود سالانه ۲.۸ درصد رشد کند.
شکل ۵ سهم مناطق مختلف دنیا از ذخایر قابل‌استخراج منگنز
چالش‌های اجتماعی و زیست‌محیطی
استخراج مواد خام مصرفی در باتری‌های لیتیوم یونی چالش‌های اجتماعی و زیست‌محیطی قابل‌توجهی را ایجاد کرده‌اند که عدم رسیدگی به آن‌ها می‌تواند فاجعه‌آفرین باشد و تولید باتری‌ها و کل انتقال دیجیتال را با خطر مواجه کند.
کبالت
بزرگ‌ترین تأمین‌کننده کبالت در جهان کنگو است. بیشتر از ۲۰ درصد معادن کبالت در کنگو منابع سنتی هستند که در آن‌ها بیشتر از ۴۰ هزار کودک کار به استخراج کبالت مشغول هستند. در این معادن، میزان امنیت جانی و سلامت کارکنان بسیار پایین و حقوق آن‌ها ارقام بسیار ناچیزی است.
از طرفی، سیاست‌های اتخاذشده در حمایت از کودکان کار، زنجیره تأمین کبالت را نیز با چالش روبرو خواهد کرد، زیرا تحریم‌های محدودکننده زیادی بر این معادن اعمال خواهند شد. انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۵، تعداد کودکان کار در این معادن به صفر برسد.
همچنین، استخراج مواد معدنی موردنیاز در ساخت باتری، چالش‌های زیست‌محیطی زیادی را به همراه دارد. بخصوص در تولید کبالت و منگنز از روش‌های استخراج و پرعیارسازی خطرناکی استفاده می‌شود که آلودگی آب‌های منطقه و خاک‌های کشاورزی را به دنبال دارند.
یکی از اصلی‌ترین چالش‌ها در سایت‌های معدنی استخراج کبالت، تولید گردوغبارهای سمی است. اورانیوم ازجمله عناصری است که در اتمسفر مناطق بهره‌برداری از منابع کبالت یافت می‌شود. ورود این عنصر به زنجیره غذایی مردم و حیوانات منطقه باعث ایجاد بیماری‌های خطرناکی چون سرطان و تولد کودکان معلول می‌گردد.
لیتیوم
در معادن استخراج لیتیوم نیز چالش‌های قابل‌توجهی یافت می‌شوند. برای مثال، در مناطقی از کشورهایی چون شیلی، بولیوی و آرژانتین، بومیان زمین‌ها و منابع آبی خود را یا از دست می‌دهند یا به دلیل آلوده شدن آن‌ها امکان بهره‌برداری را ندارند.
به‌طور میانگین، برای استخراج هر تن لیتیوم به بیشتر از ۱.۹ میلیون تن آب نیاز است. در کشور شیلی، مناطقی که در آن‌ها سایت‌های فعال استخراج لیتیوم مستقر هستند، بالغ‌بر ۶۵ درصد آب منطقه را مصرف می‌کنند. این میزان از مصرف، تأثیرات وحشتناکی بر زندگی مردم منطقه می‌گذارد. از مهم‌ترین نتایج این استفاده بی‌رویه از آب، کوچ کشاورزان و دامداران این منطقه از مناطق روستایی و حتی شهری است.
همچنین، گردوغبار سایت‌های استخراج لیتیوم بسیار خطرناک و عامل ایجاد بیماری‌های مزمنی چون سرطان ریه هستند.
برای گرافیت و منگنز نیز شرایط مشابهی برقرار است. تولید گردوغبار آلوده، استفاده از بیشترین منابع آب منطقه، کودکان کار، تخریب زمین‌های کشاورزی، بیماری‌های ژنتیکی و تنفسی و بسیاری مشکلات دیگر، از عواقب فعالیت نامناسب شرکت‌های معدنی در مناطق مختلف‌اند.
با افزایش تقاضا برای باتری‌های شارژی، ولع شدیدی برای استخراج مواد معدنی مورداستفاده در این باتری‌ها شکل‌گرفته است. انتظار می‌رود که بازار این مواد در ۱۰ سال آینده تا ۲۰۰ درصد رشد کند. چنین رشدی اگر با تناسب در بهینگی و ایمن‌سازی شیوه‌های استخراج همراه نباشد، چالش‌هایی بسیار بزرگ‌تر از مزایای تولید انرژی تجدیدپذیر نتیجه می‌شود.
ایران
در ایران فعالیت‌های تولید باتری‌های لیتیومی چندان گسترده نیستند، زیرا بازار استفاده از این باتری‌ها چندان فعال نیست. باوجوداین، ایران جزء چند کشور غنی در مواد معدنی مورداستفاده در تولید باتری‌های لیتیوم یونی است.
ازنظر ذخایر منگنز، ایران در رده ۱۲ام قرار دارد و سالانه در حدود ۱۱۲ هزار تن منگنز تولید می‌کند. در ایران همچنین، ذخایر محدودی از کبالت در مناطقی چون قمصر یافت می‌شود. علاوه بر این، منابع جدید و قابل‌توجهی از لیتیوم در کشور یافت شده است و بسیاری از ذخایر موجود به مرحله بهره‌برداری نرسیده‌اند.
جمع‌بندی:
هم‌زمان با حرکت دنیا به سمت استفاده از انرژی‌های پاک و کاهش گازهای گلخانه‌ای، تولید باتری‌های لیتیوم یونی به شکل نمایی در حال افزایش است. از طرفی، محصولات معدنی موردنیاز در تولید این باتری‌ها بسیار کمیاب‌اند و تولید آن‌ها با چالش‌های جدیِ زیست‌محیطی همراه است.
در دو دهه آینده، اصلی‌ترین چالش در تولید باتری‌های شارژی، کاهش ریسک‌های ESG و افزایش بهره‌وری در سایت‌های معدنی است. در طول تاریخ فعالیت صنعت معدن، انگشت انتقاد همیشه به‌سوی آن بوده است. بااین‌حال، معدن‌کاوی همیشه یک نیاز اجتناب‌ناپذیر بوده که کاهش تولید در آن با توقف چرخ‌های صنایع دیگر همراه شده است.
به‌طورکلی، معدن در یک دو راهی قرارگرفته است؛ از یک طرف باید میزان تولید خود را به‌شدت بالا ببرد، از طرف دیگر، باید چالش‌های زیست‌محیطی و اجتماعی حاصل از فعالیت‌هایش را کاهش دهد. هرگونه لغزش شدید، مدیریت و برنامه‌ریزی نادرست در فعالیت‌های آتی به فاجعه‌های صنعتی، اجتماعی و زیست‌محیطی خواهد انجامید.
کلمات کلیدی:
باتری‌های لیتیوم یونی – کبالت، لیتیوم، منگنز – زیست‌محیطی – انرژی پاک – باتری‌های شارژی – گازهای گلخانه‌ای – مواد معدنی
منابع:
