منابع لیتیوم و آینده خودروهای برقی

بشر متاثر از تغییرات آب و هوایی سالیان اخیر، ناچار به پویش برای روش‌های نوین تولید برق و جایگزین کردن آن‌ها شده است. آلوده کردن هوای ناشی از سوزاندن سوخت‌های فسیلی بسیار زیاد شده است، از این روست که اکثر خودروهای امروزی پیشرانه‌های احتراق داخلی دارند.

”استرالیا و شیلی تولیدکنندگان لیتیوم به صورت انبوه هستند که اکثر لیتیوم‌های موجود در باتری خودروهای برقی و هیبرید، همچنین وسایل الکترونیکی قابل حمل را تولید می‌کنند.“حمل و نقل و تولید برق مسئول 56% از کل گازهای گلخانه‌ای منتشر شده در طبیعت است و برگزیدن خودروهای هیبریدی و برقی، آلودگی جو کره زمین را کاهش خواهد داد. اکثر اندوخته‌های سوخت فسیلی، مانند نفت و گاز طبیعی، با توجه به حجم مصرف امروز بیش از 50 سال دوام نخواهند آورد. پس در هر صورت تغییر، قابل امتناع نیست.

برخی از روش‌های بازگشت‌پذیر تولید انرژی، استفاده از انرژی خورشید و انرژی باد است و هر دو روش، نیازمند ماژول‌هایی برای ذخیره انرژی تولید شده است و اکثر باتری‌های استفاده شده برای این منظور، توسط تکنولوژی لیتیوم-یون ساخته شده‌اند و اگر این دو، به عنوان شیوه‌های اصلی تولید انرژی در آینده استفاده شوند، باتری‌های بسیاری برای ذخیره انرژی نیاز خواهد بود.

حال با توجه به افزایش محبوبیت روز افزون خودروهای برقی، پاسخ این سوالات را بررسی می‌کنیم: 

• چه مقدار لیتیوم در منابع و ذخایر کل جهان پیدا می‌شود؟
• با توجه به افزایش پیش‌بینی شده تامین لیتیوم تا کجا ممکن است؟

عموماً استخراج لیتیوم به دو شیوه انجام می‌شود: استخراج از آب نمک و اسپودومن (کانی) که هر دو شیوه به اختصار توضیح داده خواهد شد.

استرالیا، با تولید 14.1 هزار تن در سال 2015، بزرگترین تولیدکننده لیتیوم در عصر حاضر است. استرالیا، استخراج لیتیوم را از اسپودومن انجام می‌دهد و اگر نخواهیم بگوییم همه، اغلب تولیدات به چین صادر می‌شود. شیلی در جایگاه دوم قرار می‌گیرد و به ترتیب به دنبال آن آرژانتین و چین قرار دارند.

بزرگترین انباشت لیتیوم دنیا در آمریکای جنوبی است. شوره‌زارهای آرژانتین، بولیوی و شیلی 50% از کل منابع لیتیوم در دنیا را شامل می‌شوند. چین و آمریکا مقادیر زیادی از لیتیوم را در اختیار دارند. منابع لیتیوم ایالات متحده عموما از اسپودومن است، تولید لیتیوم در ایالات متحده، با توجه به پروسه لازم به استخراج لیتیوم از اسپودومن، که جلوتر به آن اشاره می‌شود، بسیار اندک است. انرژی بسیار زیادی برای آماده‌سازی ماده اولیه نیاز است.

حال نیاز است تعریف این دو واژه را بررسی کنیم:

1- واژه ذخایر (Reserves): به اندوخته‌هایی اطلاق می‌شود که به دنبال مطالعات کافی، اطمینان زیادی در وجود داشتن آن‌ها داریم.

2- واژه منابع (Resources): به کلیه مقادیر کشف یا کشف نشده در کنار کل مقادیری که استخراج آن‌ها به صرفه خواهد بود یا نخواهد بود، اطلاق می‌شود.

اطلاعات نمایش داده شده در شکل فوق، برای منابع لیتیوم، معلوماتی است که وجودشان تاکنون برای ما مشخص شده است. به هرحال، ممکن است منابعی از لیتیوم در دنیا وجود داشته باشد که هنوز کشف نشده‌اند. اخیراً بحث‌های بسیاری درباره وجود منابع لیتیوم در افغانستان به میان آمده است و مشاهداتی است که «افغانستان عربستان سعودی لیتیوم» است. با وجود این، تا به امروز اطلاعات تایید شده‌ای درباره ابعاد منابع لیتیوم موجود در افغانستان وجود ندارد.

لیتیوم غالبا از کانی اسپودومن، نمکزارها و دریاچه‌های نمک استخراج می‌شود. استخراج لیتیوم از دریاچه‌های نمک و نمک‌زارها بسیار مشابه همدیگر است و انتخاب اقتصادی‌تری نسبت به اسپودومن خواهد بود. با این حال انباشت‌های اسپودومن با تمرکز بالای لیتیوم می‌توانند هزینه‌های بالای آماده‌سازی لیتیوم را جبران کنند.

استرالیا و شیلی تولیدکنندگان لیتیوم به صورت انبوه هستند که تمامی لیتیوم‌های موجود در باتری خودروهای برقی و هیبرید، همچنین وسایل الکترونیکی قابل حمل را تولید می‌کنند. استرالیا، لیتیوم خود را از اسپودومن غنی از لیتیوم تولید می‌کند و شیلی از نمکزارها.

پروسه استخراج لیتیوم از نمکزارها انتقال زیادی بین حوضچه‌ها در خود دارد. ابتدا آب نمک از چاه‌های زیر زمینی به حوضچه‌هایی منتقل می‌شود و در آنجا انتظار می‌رود، تبخیر شود تا اجازه متمرکز شدن پیدا کند (غلیظ شود).

آب نمک غلیظ شده به حوضچه دیگری منتقل می‌شود که در آن انتظار میرود سدیم کلراید متبلور شده و رسوب کند. این مراحل تا جایی ادامه می‌یابد که ترکیبات دیگر (مانند کلسیوم و منینریم) جدا شده و لیتیوم کربنات در آخرین مرحله رسوب کند. یک ارزیابی انرژی نشان می‌دهد انرژی مورد نیاز برای پروسه لیتیوم کربنات، معادل 40 مگاژول به ازای هر کیلوگرم است (برابر با سوزاندن 800 گرم گاز طبیعی).

پس از استخراج کانی، باید تا 1000 درجه سانیگراد پرداخت حرارتی شود تا شبکه میکروسکوپی آن تغییر کند. به دلیل پرداخت حرارتی‌ای که سنگ معدن باید طی کند، این پروسه استخراج لیتیوم نسبت به استخراج از نمک‌زارها به مراتب هزینه بیشتری دارد.

در ایالات متحده، این تلاش به دلیل معرفی روش‌های کم هزینه‌تر رها شد. به هر جهت ایالات متحده برنامه دارد تا تولید لیتیوم از کانی‌ها را، به منظور افزایش تولید، دوباره از سر بگیرد.

در نمودار زیر افزایش درخواست برای خودروهای هیبریدی و برقی در پی افزایش قیمت نفت خام نمایش داده شده است:

درخواست برای وسایل نقلیه هیبرید و قیمت نفت خام سبک، با هم رابطه مستقیم دارند. نمودار نشان می‌دهد به محض افزایش قیمت نفت خام سبک، درخواست برای خودروهای هیبریدی برقی، افزایش داشته. از آن رو درخواست برای لیتیوم و دیگر مواد باتری نیز افزایش خواهد یافت.

افزایش قیمت سوخت‌های فسیلی تنها روی بازار خودروسازی مبتنی بر احتراق داخلی تاثیر نخواهد گذاشت. به این دلیل که اکثر کشورها از سوخت فسیلی برای تولید برق استفاده می‌کنند، هزینه تولید برق نیز افزایش خواهد یافت. این امر باعث تشویق به تولید برق از شیوه‌های تجدیدپذیر، شیوه‌هایی مانند توربین‌های بادی و انرژی خورشیدی، خواهد بود. از آن رو که هر دو از شیوه‌های پاک و تجدیدپذیر تولید انرژی هستند.

در این شیوه‌های تولید برق، انرژی تولید شده را در یک ماژول ذخیره انرژی، نگهداری می‌کنند که به باتری شناخته می‌شود. باتری‌های استفاده شده در نیروگاه‌ها بزرگ و اکثرا باتری‌های لیتیوم-یونی هستند. در نتیجه درخواست لیتیوم در پی شایع‌تر شدن انرژی‌های خورشیدی و توربین‌های بادی، افزایش خواهد داشت. بدیهی است که با افزایش درخواست لیتیوم، قیمت لیتیوم تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. قیمت لیتیوم در صورت ثابت ماندن میزان تامین لیتیوم، افزایش بسیاری خواهد یافت و قیمت‌ها با افزایش تولید لیتیوم، کاهش خواهند یافت.

در شکل زیر سهم صنایع مختلف از مصرف لیتیوم نشان داده شده است:

محاسبات براساس باتری‌های 85kWh NCA، مشابه آن چه در تسلا مدل S استفاده شده، صورت گرفته است. طبق محاسبات هر یک باتری NCA با 85kWh انرژی نیاز به 87.1 کیلوگرم ماده NCA دارد. 6.29 کیلوگرم لیتیوم در هر 87.1 کیلوگرم NCA وجود دارد.

از تمامی لیتیوم استخراج شده در سال 2017 تقریبا 46% در مقصد تولید باتری مصرف شده است، همانطور که در شکل می‌بینم. برای رسیدن به تخمینی قابل قبول‌تر 50% از منابع لیتیوم جهان را به بخش خودروسازی اختصاص دادیم.

در عین حال این حقیقت را که برخی اندوخته‌ها از لحاظ اقتصادی توجیه‌پذیر نیستند باید درنظر داشت، فرض می کنیم نیمی از منابع جهانی توجیه اقتصادی دارند. از 53.5 میلیون تن لیتیوم، 13.375 میلیون تن برای برای مقصود وسایل نقله برقی خواهد بود. اگر 6.29 کیلوگرم لیتیوم برای هر خودرو نیاز باشد، از 13.375 میلیون تن لیتیوم 2.1 میلیارد خودرو با باتری 85 کیلووات ساعتی NCA می‌توان ساخت.

برای قرار دادن این اطلاعات در چشم انداز بلند مدت، 79.56 میلیون خودرو در سال 2017 فروخته شده است. اگر فرض کنیم تعداد خودروهای فروخته شده در جهان ثابت خواهد ماند (79.56 میلیون خودرو در هر سال) و فرض بر این که بازار محدود به خودروی الکتریکی با باتری 85 کیلووات ساعتی NCA خواهد بود، لیتیوم کافی برای 27 سال خواهد بود.

لیتیوم ماده‌ای لازم الوجود است، امروز در سال 1399، بسیاری مصارف وابسته به این فلز ارزشمند است. مصارفی مانند: شیشه و سرامیک، روانکارها، داروسازی و از همه مهم‌تر باتری‌ها. همان‌طور که بررسی کردیم، منابع لیتیوم به هیچ وجه کم نیستند. با ذخایری تقریبا 15.6 میلیون تن و منابعی حدودا 53.5 میلیون تن، لیتیوم ماده‌ای کم‌یاب محسوب نمی‌شود.

در پایان جا دارد اشاره کنیم که گسترش در حوزه باتری‌های لیتیومی و بهبود ساخت آنها در کنار بازیافت باتری‌ها، مقادیر قابل توجهی از نیاز لیتیوم کاسته خواهد شد.