Liikenteen sähköistyminen on keskeinen keino ilmastotavoitteiden saavuttamisessa. Sähköinen liikenne on hienoa idea, mutta monet sähköautojen ja niiden akkujen valmistukseen käytettävistä materiaaleista ovat länsimaiden näkökulmasta haastavia. Hollantilaistutkijat ovat analysoineet sähkö- ja hybridiautojen materiaaleja kriittisten materiaalien näkökulmasta ja lopputulema on tuttua tarinaa: Kiina dominoi täälläkin.
Kriittisten metallien näkökulmasta sähkö- ja hybridiautojen tärkeimmät komponentit ovat akku ja moottori. Litiumioniakkujen keskeiset materiaalit ovat koboltti, litium, nikkeli, mangaani ja grafiitti (lähinnä luonnongrafiittina). Sähkömoottorien tärkeitä raaka-aineita ovat neodyymi, dysprosium ja praseodyymi, listaavat hollantilaistutkijat raportissaan.
Litiumia riittää
Sähköautojen yleistymisen näkökulmasta litiumista ei tutkimuksen näyttäisi tulevan pulaa lyhyellä tai keskipitkällä aikavälillä vaikka viime aikoina on ollut huolta litiumin saatavuudesta ja hintapiikeistä, arvioivat tutkijat.
Sama tilanne näyttäisi olevan myös muiden keskeisten akkujen raaka-aineiden kanssa: mangaania, nikkeliä ja luonnongrafiittiä näyttäisi riittävän vastaamaan litiumioniakkujen kasvaan kysyntään. Huolta aiheuttaa lähinnä litiumin ja koboltin tuotannon keskittyminen maantieteellisesti tietyille alueille.
Kuva 1. Esimerkkejä litiumioniakkujen kemioista. (Lähde: Olivetti et al. 2017)
Sähköautojen moottoreiden toimitusketju
Sähköautoissa perinteinen bensa- tai dieselkäyttöinen polttomoottori on korvattu sähkömoottorilla. Eri sähköautoissa käytetään erilaisia moottoreita. Esimerkiksi Tesla käyttää kuparipohjaista induktiomoottoria Model S –mallissaan, mutta Model 3 –mallissa käytetään neodyymimagneetteihin perustuvaa moottoria.
Neodyymi-pohjaisiin kestomagneetteihin pohjautuvat sähkomoottorit ovat tehokkaampia, mutta ne käyttävät paljon harvinaisia maametalleja.
Harvinaisia maametalleja käytetään myös raaka-aineiden valmistuksessa
Tutkijat muistuttuvat, että joidenkin sähköauton osien tai raaka-aineiden valmistukseen käytetään harvinaisia maametalleja, esimerkkinä alumiinin valmistus.
Toisaalta perinteisissä polttomoottoriautoissa käytetään paljon samoja raaka-aineita ja komponentteja, kuten terästä, muovia, hartsia, piirilevyjä, hiilikuitua, lasia, nikkeliä, kuparia jne.
Kuva 2. Harvinaisten maametallien käyttökohteita sähkö- ja hybridiautoissa. (Kuva: HS Mag)
Harvinaiset maametallit Kiinan hyppysissä
Kiina tuottaa noin 90 prosenttia harvinaisista maametalleista. Kiina tuottaa 85 – 90 prosenttia harvinaisiin maametalleihin pohjautuvista NdFeB-kestomagneeteista, lopusta vastaavat Japani (10%) ja eräät muut maat EU:ssa (mm. Suomessa toimiva Neorem Magnets) ja Yhdysvalloissa.
Hollantilaistutkijoiden mukaan NdFeB-kestomagneettien valmistusta on siirtynyt yhä lisää Kiinaan, jossa harvinaisten maametallien hinnat ovat edullisemmat ja saatavuus varmempaa.
Harvinaisten maametallien arvoketjusta löytyy muutamia eurooppalaisia toimijoita, mukaan lukien muutamia seosten ja magneettien valmistajia, jotka käyttävät lähinnä tuontiraaka-ainetta.
Japani merkittävä sähköautojen moottoreiden valmistaja
Tärkeimpiä sähköautojen moottorivalmistajia ovat Continental AB (Saksa), Hitachi Automotive Systems Ltd. (Japani), Tesla (USA), BYD Auto Co. Ltd (Kiina), Denso Corporation (Japani), Metric Mind Corporation (USA), Mitsubishi Electric Corporation (Japani), Allied Motion Technologies (USA), Robert Bosch GmbH (Saksa) ja Siemens AG (Saksa), listaa hollantilaistutkimus.
Kokonaisten sähkömoottorien tuotantoa dominoivat aasialaiset yritykset, erityisesti japanilaiset valmistajat.
Litiumioniakkujen toimitusketju
Litiumioniakun arvokkaina osa on akkukenno, joka muodostuu kolmeasta osasta: katodista ja anodista, jotka ovat fyysisesti erillään toisistaan, mutta sähköisesti niitä yhdistää elektrolyytti.
Anodi valmistetaan tyypillisesti grafiitista, elektrolyytti on yleensä orgaanista nestettä, johon on liuennut litiumsuoloja. Elektrolyyttiliuoksessa ionit (ioniliuos) kuljettavat liikkuessaan sähkövarauksia, ja ionien liike tuottaa sähkövirtaa. Katodimateriaaleja on paljon erilaisia, tyypillinen yhdistelmä on koboltin, mangaanin ja nikkelin yhdistelmä eri suhteissa (ks. kuva 1 yllä).
Kobolttia kaivetaan lähinnä Kongon demokraattisessa tasavallassa ja sitä jalostetaan eniten Kiinassa. Myös Suomi on merkittävä koboltin jalostaja, noin 10 % maailman koboltista jalostetaan täällä.
Kuva 3. Suomi akkumaailmankartalla – Suomi on merkittävä koboltin jalostaja globaalisti. (Lähde: Olivetti et al. 2017)
Litiumia kaivetaan lähinnä Australiassa ja jalostetaan Kiinassa. Myös Etelä-Amerikan maat Chile, Bolivia ja Australia ovat tärkeitä litiumin tuottajia.
Nikkelin osalta tärkein maa kaivostuotannon osalta on Filippiinit. Kiina on merkittävä nikkelin jalostaja.
Mangaania kaivetaan lähinnä Etelä-Afrikassa ja jalostetaan Kiinassa. Luonnongrafiitin tuotanto on myös keskittynyt Kiinaan. EU tuottaa vain noin yhden prosentin kaikista akkumateriaaleista, muistuttavat hollantilaistutkijat.
Kuva 4. Koboltin kulku louhinnasta jalostuksen kautta katodimateriaaliksi ja lopulta sähköauton akkuun. (Kuva: Baars et al. 2020)
Kuva 5. Mistä on sähköautot ja niiden akut tehty? (Lähde: HCSS 2020)
(Julkaistu 25.1.2021)
Lähteet:
- Securing Critical Materials for Critical Sectors: Policy options for the Netherlands and the European Union. The Hague Centre for Strategic Studies (HCSS), 10 Dec 2020.
- Joris Baars et al., “Circular Economy Strategies for Electric Vehicle Batteries Reduce Reliance on Raw Materials,” Nature Sustainability, September 7, 2020, 1–9, https://doi.org/10/ghgss4.
- Olivetti, E.A. et al. (2017). Lithium-Ion Battery Supply Chain Considerations: Analysis of Potential Bottlenecks in Critical Metals. Joule, Vol. 1, Iss. 2, 11 October 2017, pp. 229-243.
Lisää aiheesta:
