Sähköautoteollisuudessa käytettävän litiumin rikastus- ja kierrätysprosessit

Abstract

Litium on tärkeimpiä metalleja sähköautojen akkumateriaalina, sillä ominaisuuksiensa vuoksi sitä on hyvin vaikea korvata toisella materiaalilla. Litiumin keveyden ja pienen ionisäteen vuoksi litiumioniakuista saadaan rakenteeltaan kevyempiä sekä kestävämpiä. Sähköautojen akkumallit sekä kemiallinen että fysikaalinen rakenne vaihtelevat suuresti eri valmistajien välillä. Kuitenkin yleisimpien litiumioniakkujen katodien valmistamiseen käytetään joko litiumkarbonaattia tai litiumhydroksidia, mitkä ovat nykyään tärkeimmät litiumyhdisteet.

Tämä työ käsittelee litiumhydroksidin sekä litiumkarbonaatin erilaisia geologisia lähteitä, sekä niissä käytettäviä rikastusprosesseja. Kaavioihin on koottu eri rikastusprosessien aiheuttamia päästöjä sekä materiaalien, energian ja makean veden kulutusta. Lopuksi käydään läpi litiumin kierrätystä käytetyistä litiumioniakuista sekä litiumin tulevaisuuden tarpeen ennusteita.

Litiumin tärkeimpiä geologisia lähteitä ovat litiumpitoiset mineraalit, joista kaupallisesti eniten hyödynnetään spodumeenia. Toinen suuri ja tärkeä lähde litiumille on joillakin aavikoilla esiintyvät litiumpitoiset suolajärvet, joissa litium esiintyy litiumkloridina muiden suolojen kanssa. Molemmilla lähteillä on hyvin erilaiset rikastusprosessit.

Litiumin valmistamisessa spodumeenirikasteesta käytetään kaupallisesti kolmea eri prosessia, joista suosituimmat ovat happo- sekä alkaliliuotus. Kolmantena vaihtoehtona voidaan käyttää kloorausta. Suolajärviesiintymissä käytetään haihdutus- saostusprosessia, joka toimii vain lämpimillä ja kuivilla alueilla. Jokaisella näistä prosesseista on omat hyötynsä ja haittansa.

Happoliuotuksen hyötynä on sen tehokkuus ja hyvä litiumin saanti, mutta siinä käytettävät kemikaalit ovat vaarallisia ja kalliita sekä sivuvirtana tuleva jäte vaikeasti hyödynnettävissä. Alkaliliuotusprosessissa litiumin saanti on hyvä eikä siinä käytettävät kemikaalit ole niin vaarallisia kuin happoliuotuksessa. Alkaliliuotuksen sivuvirrat ovat huomattavasti helpommin hyödynnettävissä kuin happoliuotuksen jäte. Klooraus on hyvin tehokasta, jonka vuoksi se sopii myös pienemmän litiumpitoisuuden omaaville mineraaleille. Siinä käytettävät klooriyhdisteet ovat vaarallisia sekä syövyttäviä, mutta sivuvirtana ei synny vaarallista jätettä. Syövyttävyyden vuoksi laitteiston pitää olla korroosiota kestävää, mikä lisää prosessin kustannuksia huomattavasti. Suolajärviesiintymissä käytettävän haihdutus- saostusprosessin etuna on sen kustannustehokkuus, sillä haihduttaminen tehdään auringon avulla suurissa haihdutusaltaissa. Ongelmana prosessissa on sen pitkäkestoisuus, sekä herkkyys sääolosuhteiden muutoksille.

Litiumia kierrätetään hyvin vähän, sillä sen saanti käytetyistä litiumioniakuista on hyvin hankalaa ja kallista. Kierrätetyn litiumin hinta on suurempi kuin suolajärviesiintymistä saatavan neitseellisen litiumin. Kuitenkin osa yrityksistä kehittävät litiumin kierrätystä kysynnän kasvun vuoksi. Litiumia voidaan kierrättää hydrometallurgisella prosessilla, jossa käytetty varaukseton akku murskataan nesteessä ja litium liukenee nesteeseen muodostaen litiumhydroksidia. Prosessien ongelmana on erilaiset akkukemiat sekä akkumallit, jolloin kierrätystä on hyvin vaikea automatisoida ja tehdä taloudellisesti kannattavaksi. Ennusteiden mukaan litiumin tarve tulee kasvamaan huomattavasti, jolloin litiumin kierrätystä ja rikastusprosesseja kehitetään kannattavammiksi. Kuitenkin litiumin tuotannolla on suuria haasteita pysyä kysynnän perässä, mikä näkyy myös litiumin ja sen yhdisteiden hinnoissa.