Litiumioniakkujen elinkaari

Litiumioniakku on laajasti käytössä oleva ja tehokas akkutyyppi. Li-ion-akkuja käytetään muun muassa mobiililaitteissa, sähkökäyttöisissä työkaluissa, sähköpolkupyörissä, sähköautoissa ja teollisuudessa.

Tähän pääosin hyvin turvalliseen akkutyyppiin liittyy myös riskejä sen tehokkuuden vuoksi. Litiumioniakkujen riskit, kuten lämpökarkaaminen (thermal runaway), poikkeavat muiden akkutyyppien riskeistä.

Tämä sivu kertoo akkujen elinkaaresta, akkujen turvallisuuteen vaikuttavista tekijöistä ja keskeisistä riskeistä. Tälle sivulle on koottu tietoa elinkaaren eri vaiheisiin liittyvistä säädöksistä ja viranomaisista.

Litiumioniakkujen elinkaaren vaiheita

Akkumineraaleihin liittyvä kaivostoiminta
Malminetsintä • Litium ja kaivostoiminta • Mineraalien rikastus ja jalostus

Akkukemikaalien valmistus ja varastointi
Akkukemikaalien valmistus • Akkukemikaali tuotteena • Akkukemikaalien kuljetus

Akkujen valmistus ja varastointi
Akkujen ja akkukennojen valmistus tai maahantuonti • Akkujen varastointi

Akkujen kuljetus
Litiumakut on luokiteltu vaarallisiksi kuljetuksessa

Akkujen myynti
Turvallisuus ja merkinnät

Akkujen käyttö
Akkujen käyttö osana sähkölaitteistoa • Akkujen kuluttajakäyttö osana tuotetta

Akustotilat
Sijoituksessa ja suunnittelussa huomioitavat turvallisuusasiat

Akkujen uudelleenkäyttö
Käyttötarkoituksen muuttaminen

Akkujen kierrätys
Akun poistaminen käytöstä • Käytöstä poistettujen akkujen kerääminen • Käytöstä poistettujen akkujen kuljetus

Akkupalot
Thermal runaway ja litiumioniakkupalon sammutus

Akkumineraaleihin liittyvä kaivostoiminta

Malminetsintä

Malminetsinnän tarkoituksena on löytää ja tutkia mineraaliesiintymiä, joita saattaisi olla mahdollisia hyödyntää taloudellisesti. Taloudellisesti hyödynnettävää esiintymää kutsutaan malmiksi.

Suomessa malminetsintään on malminetsintäyhtiöiden käytettävissä Geologian tutkimuskeskuksen tarjoama geologinen, geokemiallinen ja geofysikaalinen perusaineisto Suomen kallioperästä. Malminetsintä aloitetaankin yleensä tähän aineistoon tutustumalla. Kiinnostava esiintymä voi löytyä myös kansannäytteen perusteella. Malminetsintää Suomessa tietyille alueilla ohjaavat myös saadut positiiviset kokemukset vastaavilta kivilajialueilta maailmalta tai jonkin alueen menestyksekkäät ja lupaavat löydökset tai vallitseva kaivostoiminta. Yksi tällainen alue Suomessa on Keski-Lapin alue, jossa malminetsintää on paljon. Malminetsintää tehdään myös jo tunnetuilla esiintymillä, joita on voitu aiemmin louhiakin. Yleensä tällöin on kysymys siitä, että kun metallien maailmanmarkkinahinnat nousevat riittävästi, kiinnostus aiemmin kannattamattomaksi todettuun esiintymään herää uudelleen. Tällaisia kohteita ovat mm. Mustavaaran vanadiiniesiintymä ja Hautalammen kobolttiesiintymä. 

Tietyt kivilajiympäristöt ovat otollisia tietyille metalleille. Esimerkiksi vihreäkivivyöhykkeet ovat otollisia kulta-, koboltti-, kupari- ja nikkelimalmien esiintymiselle, kun taas kerrosintruusiot ovat otollisia kromin, platinan, palladiumin tai vanadiinin löytymiselle. Litiumin löytämismahdollisuudet Suomessa ovat suurimmat pegmatiittiesiintymistä.

Malminetsintään liittyy suuria taloudellisia riskejä, koska tehokas malminetsintä on kallista ja kaivokseen johtavan esiintymän löytyminen on hyvin vaikeaa ja aikaa vievää.

Tutkimuksen alkuvaiheessa kohdealueen kallioperää kartoitetaan näkyvistä paljastumista. Usein tehdään myös tutkimuskaivantoja. Ensimmäiset näytteet analysoidaan ja tämän perusteella määräytyvät jatkotutkimukset. Jatkotutkimuksissa tehdään yleensä maaperänäytteenottoa ja erilaisia geokemiallisia tutkimuksia. Geokemiallisten tutkimusten avulla pyritään paikantamaan tiettyjen alkuaineiden korkeamman pitoisuuden alueita, jotka saattavat tarkoittaa mineraaliesiintymää.

Geofysikaalisissa tutkimuksissa määritetään kallioperän sähköisiä-, magneettisia-, radiometrisiä- ja painovoimaominaisuuksia. Mittauksia voidaan tehdä lentokoneella tai maastossa. Geofysiikkaa käyttäen voidaan tutkia kallioperää myös syvemmältä ja näillä tutkimuksilla selvitetään kallioperän koostumusta ja rakenteita ja paikallistetaan tiettyjen kivilajivyöhykkeiden sijaintia.

Edellä kuvatut tutkimukset tehdään yleensä aina ennen kuin siirrytään kairausvaiheeseen.

Syväkairaus on malminetsinnän tehokkain menetelmä. Siinä haetaan tietoa syvältä kallioperästä timanttikairauksella saatavista kallioperänäytteistä eli kairasydämistä. Niistä voidaan tutkia mineralogiaa, analysoida pitoisuuksia ja tutkia mm. kiven kalliomekaanisia ominaisuuksia. Kairausrei’istä tehdään lisäksi usein geofysikaalisia reikämittauksia. Kairareiät voivat olla pituudeltaan yli kilometrinkin pituisia, mutta yleensä ne ovat noin 100-300 m pitkiä. Kairauksen metrihinnat ovat tyypillisesti  100-300 euroa.

Malminetsintäkairausten tulokset ohjaavat tutkimuksien jatkosuunnitelmia. Loppujen lopuksi vain harva tutkimustyömaa johtaa laajempiin tutkimuksiin. Jos ensimmäiset viitteet näyttävät lupaavilta, kairauksia jatketaan. Siinä vaiheessa, kun esiintymä voidaan kairauksien perusteella mallintaa ja todeta louhintakelpoiseksi, aloitetaan ns. prefeasibility study (alustava kannattavuustarkastelu), jota seuraa feasibility study (yksityiskohtaisempi kannattavuustarkastelu) ja lopulta final tai bankable feasibility study. Tässä vaiheessa suunnitelmat ovat jo hyvin pitkällä ja kannattavuus on todettu niin varmaksi, että hankkeen rahoitusta ryhdytään valmistelemaan. Kaivoslupahakemus laaditaan usein prefeasibility -vaiheessa.

Litium ja kaivostoiminta

Kaivoksen perustamiseen ja kaivostoiminnan harjoittamiseen on oltava kaivoslupa. Kaivoslupaa hakee tavallisimmin Suomeen rekisteröity yritys, jonka toimialana on kaivostoiminta.

Litiumia ei esiinny luonnossa puhtaana metallina, vaan se on aina yhdiste.

Litiumin raaka-ainelähteet ovat suolajärvien suolavesi (suola-aavikoilta), pegmatiittiesiintymät ja sedimenttiesiintymät. Litium jalostetaan litiumkarbonaatiksi tai litiumhydroksidiksi.

Suolaesiintymät

Tärkein litiumin käytettävän litiumkarbonaatin raaka-ainelähde on suolajärvien kerrostumat ja suolatasangot. Näitä sijaitsee erityisen paljon Chilessä ja Kiinassa. Ennen varsinaista erotusprosessia suolavesi pumpataan ylös ja sitä väkevöitetään haihduttamalla vettä pois, yleensä suurissa altaissa auringon alla. Lopuksi väkevöitynyt liuos johdetaan prosessiin, jossa liuos puhdistetaan epäpuhtauksista ja litium erotetaan.

Maailman suurimmat ja puhtaimmat litiumvarannot löytyvät Chilestä Salar de Atacaman suola-aavikolta, jossa on puolet maailman litiumista.

Pegmatiittiesiintymät

Pegmatiittiesiintymät ovat toinen merkittävä litiumin raaka-ainelähde. Esiintymistä käytetään myös nimitystä ”kovan kiven litiumesiintymät”. Pegmatiittiesiintymistä voi litiumin ohella löytyä myös tinaa, tantaalia ja niobia. Pegmatiittilitiumesiintymien yleisin litiummineraali on spodumeeni (litiumalumiinisulfaatti). Tällaisia esiintymiä tunnetaan Australiasta, USA:sta, Kanadasta, Irlannista ja Kongosta ja myös Suomesta. Pegmatiittiesiintymiä louhitaan sekä avolouhoksista että maanalaisista kaivoksista.

Avolouhintaa suoritetaan yleensä pengerlouhintana. Avolouhoksessa louhinta etenee penkereittäin ylhäältä alaspäin. Tasot yhdistetään toisiinsa ajotein eli rampein. Avolouhoksien pengerkorkeudet vaihtelevat malmista riippuen 5-20 metriin. Avolouhinnassa malmin louhimiseksi joudutaan louhimaan myös sivukiveä. Avolouhinnan työvaiheet ovat irrotus (poraus, panostus ja räjäytys), rikotus, louheen lastaus ja kuljetus.

Maanalaisissa kaivoksissa voidaan käyttää monia eri menetelmiä ja niiden variaatioita. Yleisimmät käytettävät louhintamenetelmät Pohjoismaissa ovat välitasolouhinta, pengerlouhinta, pengertäyttölouhinta ja levysorroslouhinta.

Sedimenttiset litiumesiintymät

Sedimenttisissä kivissä litium esiintyy joko saviesiintymissä tai evaporiiteissa (vesiliukoiset suolakerrostumat). Saviesiintymiä ei ole litiumin tuotantoon kuitenkaan toistaiseksi käytetty. Ehkä tunnetuin evaporiittiesiintymä, Jadar, sijaitsee Serbiassa.

Mineraalien rikastus ja jalostus

Mineraalien rikastamiseen käytettävät menetelmät ovat vaahdottaminen, tiheyseroihin perustuvat menetelmät, magneettiset ja kemialliset menetelmät.

Vaahdottaminen on ollut käytetyin rikastusmenetelmä Suomessa. Tiheyseroihin perustuvaa menetelmää käytetään esimerkiksi kromiitin rikastamisessa Suomessa. Magneettisia menetelmiä on pääasiassa Suomessa käytetty rautamalmien rikastamisessa.

Vaahdottamisen periaatteena on tuottaa vaahdotuskemikaaleilla ja voimakkaalla ilmavirran dispersiolla lietteen yläosaan vaahto, johon poistettavat eli hyödynnettävät mineraalipartikkelit tarttuvat pintajännityksen vaikutuksesta. Ilmakuplat voidaan tuottaa joko elektolyysillä tai syöttämällä mekaanisesti tai paineella ilmaa seokseen.

Kaikki mineraalit ovat hydrofiilisia ja vaahdotuksessa tietyt mineraalipartikkelit muutetaan kokoojakemikaalien avulla hydrofobisiksi, jolloin ne tarttuvat vaahtoon jatkokäsittelyä varten. Säännöstelevillä kemikaaleilla säädellään kokoojan kiinnittymistä selektiivisesti eri mineraalien pintaan. Aktivoijalla pyritään mineraalin pinta aktivoimaan kokoojakemikaalia varten, ja painajalla deaktivoimaan, jolloin mineraali poistuu prosessista. Jos vaahdottamisen tarkoituksena on poistaa harmemineraalit arvomineraalien joukosta, puhutaan käänteisestä vaahdotuksesta. Vaahdotuksen jälkeen arvomineraaleja sisältävä aines pestään ja kuivataan.

Spodumeenin rikastus voidaan suorittaa esimerkiksi seuraavalla tavalla:

Ensimmäisessä vaiheessa malmi murskataan. Tähän vaiheeseen voi liittyä optinen lajittelu, jolla malmisyötteestä pyritään erottamaan pois malmin mukana tulevaa sivukiveä. Malmin optinen lajittelu edellyttää esimurskatun malmin pesua tai kastelua. Murskattu malmi syötetään tämän jälkeen jauhatuspiiriin. Malmin jauhatus tehdään yleensä joko kuula- tai tankomyllyillä, jolloin malmin jauhinkappaleita toimivat kuulat tai tangot.

Jauhatusvaihetta seuraa liejunpoisto hydrosykloneilla. Tämän jälkeen suoritetaan esivaahdotus. Esivaahdotusrikaste pumpataan tarvittaessa magneettierotukseen, jossa poistetaan lietteen sisältämä prosessirauta ja magneettiset mineraalit. Esivaahdotusrikaste pumpataan tämän jälkeen kertausvaahdotukseen. Viimeisen kertausvaiheen rikaste sakeutetaan, suodatetaan ja varastoidaan jatkojalustusta varten.

Litiumrikasteesta voidaan valmistaa joko litiumkarbonaattia tai litiumhydroksidia. Litiumkarbonaatin tuotannossa voidaan spodumeeni lämpökäsitellä ennen soodaliuotusta. Ennen suodatusta ja ioninvaihtoa suoritetaan bikarbonointi. Lopuksi suoritetaan litiumkarbonaatin kiteytys.

Akkukemikaalien valmistus ja varastointi

Akkukemikaalien valmistus

Sähköakun toiminnalliset osat ovat katodi, anodi ja elektrolyytti. Litiumioniakkujen erilaiset akkukemiat perustuvat erilaisten katodimateriaalien käyttöön. Anodina on yleisesti käytetty grafiittia, elektrolyytin suolana litiumheksafluorofosfaattia ja elektrolyyttinä karbonaattiestereitä. Katodimateriaaleja ovat esimerkiksi:

  • LiNi0.8Co0.15Al0.05O2
  • LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2
  • LiNiO2
  • LiFePO4
  • LiCoPO4
  • LiFeO2
  • LiMn2O4
  • LiMnO2
  • Li2Mn3NiO8
  • Li4Ti5O12

Monet katodikemikaaleista luokitellaan CLP-asetuksen mukaisesti terveydelle vaaraa aiheuttaviksi. Erityisesti nikkeli ja sen yhdisteet jauhemaisessa muodossa voivat olla syöpävaarallisia tai syöpävaaralliseksi epäiltyjä kemikaaleja. Karbonaattiestereistä osa on luokiteltu syttyviksi nesteiksi. Yllä lueteltujen yhdisteiden valmistukseen saattaa liittyä tyypillisiä kemianteollisuuden prosesseja, kuten kemikaalien sekoitusta, voimakkaiden happojen ja emästen, paineen, syttyvien liuottimien tai palovaaraa aiheuttavien kuumennusprosessien hyödyntämistä.

Akkukemikaalien valmistuksen riskit riippuvat käsiteltäv