Litiumjonbatteriers livscykel

Litiumjonbatterier är en vanlig och effektiv typ av batterier. Li-jon-batterier används bland annat i mobila enheter, eldrivna verktyg, elcyklar, elbilar och industri.

Denna typ av batteri är i de allra flesta fall mycket säker att använda, men den förknippas även med risker på grund av dess effektivitet. Risker med litiumjonbatterier, till exempel termisk rusning (thermal runaway), skiljer sig från riskerna med andra batterityper.

Den här sidan berättar om batteriernas livscykel, faktorer som påverkar batteriernas säkerhet samt främsta risker. På sidan finns information om olika författningar och myndigheter som relevanta i de olika skedena av livscykeln.

Olika skeden av litiumjonbatteriernas livscykel

Gruvverksamhet i anslutning till batterimineraler
Malmletning • Litium och gruvdrift • Mineralanrikning och förädling

Tillverkning och lagring av batterikemikalier
Tillverkning av batterikemikalier • Batterikemikalie som produkt • Transport av batterikemikalier

Tillverkning och lagring av batterier
Tillverkning eller import av batterier och battericeller • Upplagring av batterier

Transport av batterier
Litiumbatterier har klassificerats som farliga vid transport

Försäljning av batterier
Säkerhet och märkningar

Användning av batterier
Användning av batterier som en del av elutrustning • Konsumentanvändning av batterier som en del av produkten

Batterirum
Säkerhetsfrågor som ska beaktas vid placering och planering

Återanvändning av batterier
Ändring av användningsändamålet

Återvinning av batterier
Urbruktagning av batteri • Insamling av batterier som tagits ur bruk • Transport av batterier som tagits ur bruk

Batteribränder
Termisk rusning och släckning av brand i litiumjonbatteri

Gruvverksamhet i anslutning till batterimineraler

Malmletning

Malmletningen syftar till att hitta och undersöka mineralfyndigheter som eventuellt kan utnyttjas ekonomiskt. Fyndigheter som kan utnyttjas ekonomiskt kallas malm.

I Finland har malmletningsbolagen tillgång till det geologiska, geokemiska och geofysikaliska basmaterialet om berggrunden i Finland som tillhandahålls av Geologiska forskningscentralen. Malmletningen inleds oftast med att ta del av detta material. En intressant förekomst kan också hittas utifrån ett folkprov. Malmletningen i vissa områden i Finland styrs också av positiva erfarenheter av motsvarande bergartsområden i världen eller framgångsrika och lovande fynd eller rådande gruvverksamhet i ett visst område. Ett sådant område i Finland är Mellersta Lappland där det förekommer mycket malmletning. Malmletning görs också på redan kända fyndigheter, där brytning rentav har kunnat göras tidigare. I allmänhet är det fråga om att när världsmarknadspriserna på metaller stiger tillräckligt väcks intresset för en förekomst som tidigare konstaterats vara olönsam. Sådana platser är bland annat Vanadinfyndigheten i Mustavaara och koboltfyndigheten i Hautalampi. 

Vissa stenartsmiljöer är gynnsamma för vissa metaller. T.ex. grönskifferzonerna är gynnsamma för förekomsten av guld-, kobolt-, koppar- och nickelmalmer, medan lagrade intrusioner är gynnsamma för att hitta krom, platina, palladium eller vanadin. I Finland är möjligheterna att hitta litium störst i pegmatitfyndigheter.

Malmletningen är förknippad med stora ekonomiska risker, eftersom en effektiv malmletning är dyr och det är mycket svårt och tidskrävande att hitta en förekomst som leder till en gruva.

I början av undersökningen kartläggs berggrunden i målområdet utifrån synliga fyndigheter. Ofta görs också prospekteringsgrävning. De första proverna analyseras och fortsatta undersökningar fastställs utifrån detta. I de fortsatta undersökningarna utförs i allmänhet markprovtagning och olika geokemiska undersökningar. Med hjälp av geokemiska undersökningar strävar man efter att lokalisera områden med högre halt av vissa grundämnen som kan innebära mineralfyndigheter.

I geofysikaliska undersökningar bestäms berggrundens elektriska, magnetiska, radiometriska och gravitationsegenskaper. Mätningar kan utföras med flygplan eller i terrängen. Med hjälp av geofysik är det möjligt att undersöka berggrunden på djupet. Med dessa undersökningar utreds berggrundens sammansättning och strukturer och lokaliseras belägenheten av vissa bergartszoner.

Vanligen görs de ovan beskrivna undersökningarna alltid innan man börjar borra.

Djupborrning är den effektivaste metoden för malmletning. Då söker man information om berggrundsprover, det vill säga borrkärnor, som fås på djupet genom diamantborrning. På dessa kan man undersöka mineralogi, analysera halter och undersöka bland annat bergmekaniska egenskaper hos stenen. Dessutom görs ofta geofysikaliska hålmätningar i borrhålen. Borrhålen kan vara över en kilometer djupa, men i allmänhet är de cirka 100–300 m djupa. Meterpriserna på borrningarna är vanligen 100–300 euro.

De fortsatta planerna för undersökningen baseras på resultaten från malmletningsborrningarna. Slutligen leder endast ett fåtal undersökta platser till mer omfattande undersökningar. Om de första referenserna ser lovande ut fortsätter man med borrningarna. När fyndigheten baserat på borrningarna kan modelleras och konstateras vara schaktbar påbörjas en så kallad prefeasibility study (preliminär lönsamhetsanalys), som följs av en feasibility study (en mer detaljerad lönsamhetsgranskning) och slutligen en final eller bankable feasibility study. I detta skede är planerna redan mycket långt hunna och lönsamheten har konstaterats vara så säker att man börjar förbereda finansieringen av projektet. Ansökan om gruvtillstånd upprättas ofta i prefeasibility-fasen.

Litium och gruvdrift

För att få grunda en gruva och bedriva gruvdrift måste man ha gruvtillstånd. Oftast ansöks gruvtillstånd av företag som är registrerade i Finland och vars verksamhetsområde är gruvdrift.

Litium förekommer inte som ren metall i naturen, utan alltid som en förening.

Råvarukällorna för litium är saltvatten i saltsjöar (från saltöknar), pegmatitförekomster och sedimentförekomster. Litium förädlas till litiumkarbonat eller litiumhydroxid.

Saltförekomster

Den viktigaste råvarukällan för litiumets litiumkarbonat är avlagringar i saltsjöar och saltöknar. Det finns särskilt många av dem i Chile och Kina. Före den egentliga separationsprocessen pumpas saltvattnet upp och koncentreras genom att avdunsta vatten, i allmänhet i stora bassänger under solen. Slutligen leds den koncentrerade lösningen till en process där lösningen rengörs och litium avskiljs.

Världens största och renaste litiumreserver finns i Chile i saltöknen Salar de Atacama, där hälften av världens litium finns.

Pegmatitfyndigheter

Pegmatitfyndigheterna är en annan betydande råvarukälla för litium. Fyndigheterna kallas också ”litiumfyndigheter i hårdsten”. I pegmatitförekomsterna kan man utöver litium hitta tenn, tantal och niob. Det vanligaste litiummineralet i pegmatitlitiumfyndigheter är spodumen (litiumaluminiuminosilikat). Man känner till sådana fyndigheter i Australien, USA, Kanada, Irland och Kongo och även i Finland. Pegmatitfyndigheter bryts både i dagbrott och underjordiska gruvor.

Brytning i dagbrott sker i allmänhet i form av pallbrytning. I dagbrottet framskrider brytningen uppifrån och ner i terrasser. Nivåerna förbinds med varandra med hjälp av körvägar, det vill säga ramper. Terrasshöjderna i dagbrott varierar mellan 5–20 meter beroende på malmen. Vid brytning i dagbrott måste man även bryta sidoberg för att bryta malmen. Arbetsskedena vid dagbrytning är avsprängning (borrning, laddning och sprängning), skutknackning, lastning av sprängsten och transport.

I underjordiska gruvor kan man använda många olika metoder och variationer av dessa. De vanligaste metoderna för brytning i Norden är skivpallbrytning, pallbrytning, igensättningsbrytning och skivrasbrytning.

Sedimentära litiumfyndigheter

I sedimentära bergarter förekommer litium antingen i lerfyndigheter eller i evaporiter (vattenlösliga saltskikt). Tills vidare har fyndigheterna inte använts för litiumproduktion. Jadar, den kanske mest kända evaporitfyndigheten, finns i Serbien.

Mineralanrikning och förädling

Metoderna för anrikning av mineraler är flotation, metoder som bygger på densitetsskillnader, magnetiska och kemiska metoder.

Flotation har varit den mest använda anrikningsmetoden i Finland. Metoden som bygger på densitetsskillnader används till exempel för att anrika krom i Finland. I Finland har magnetiska metoder i huvudsak använts för anrikning av järnmalmer.

Flotation baseras på att framkalla ett skum i den övre delen av slammet med hjälp av flotationskemikalier och en kraftig dispersion av ett luftflöde. De mineralpartiklar som ska avlägsnas, det vill säga de som utnyttjas, binds till slammet med hjälp av ytspänning. Luftbubblorna kan produceras antingen med elektolys eller genom att mekaniskt eller med tryck föra in luft i blandningen.

Alla mineraler är hydrofiiliska och vid flotation omvandlas vissa mineralpartiklar till hydrofobiska med hjälp av samlarreagenser, vilket gör att de fastnar i skummet för fortsatt behandling. Reglerande kemikalier används för att reglera hur samlarreagenset fastnar selektivt på olika mineralers yta. Mineralets yta aktiveras för samlarreagenset med en aktiverare och deaktiveras med en tryckare, varvid mineralet avlägsnas från processen. Om syftet med flotationen är att avlägsna gångarter från värdemineralerna, talar man om omvänd flotation. Efter flotationen tvättas och torkas material som innehåller värdemineraler.

Anrikning av spodumen kan utföras till exempel på följande sätt:

I det första skedet krossas malmen. Detta skede kan omfatta en optisk sortering, genom vilken man strävar efter att separera malmtillflödet från sidoberget som följer med malmen. Optisk sortering av malm kräver tvätt eller bevattning av den förkrossade malmen. Därefter matas den krossade malmen in i en malningskrets. Malningen av malmen görs vanligen antingen i kul- eller stångkvarnar, varvid kulor eller stänger fungerar som malkroppar.

Efter malningsskedet följer slamborttagning med hydrocykloner. Därefter utförs förflotation. Koncentratet från förflotationen pumpas vid behov till magnetseparation, där processjärn och magnetiska mineraler avlägsnas från slammet. Koncentratet från förflotationen pumpas därefter till upprepad flotation. Koncentratet från den sista upprepningsfasen urvattnas, filtreras och upplagras för fortsatt förädling.

Litiumkarbonat eller litiumhydroxid kan tillverkas av litiumkoncentratet. I produktionen av litiumkarbonat kan spodumenet värmebehandlas före upplösning i soda. Bikarbonering görs före filtrering och jonbyte. Slutligen kristalliseras litiumkarbonatet.

Tillverkning och lagring av batterikemikalier

Tillverkning av batterikemikalier

Elbatteriets funktionella delar är katod, anod och elektrolyt. Litiumjonbatteriernas olika batterikemier bygger på användning av olika katodmaterial. Som anod har man i regel använt grafit, litiumhexafluorofosfat som elektrolytsalt och karbonatestrar som elektrolyt. Katodmaterial är till exempel:

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

Många katodkemikalier klassificeras enligt CLP- förordningen som hälsofarliga. Särskilt nickel och dess föreningar i pulverform kan vara cancerframkallande kemikalier som misstänks vara cancerframkallande. Av karbonatestrarna klassificeras en del som brandfarliga vätskor. Tillverkningen av de föreningar som räknas upp ovan kan vara förknippad med typiska processer inom den kemiska industrin, såsom blandning av kemikalier, utnyttjande av starka syror och baser, tryck, brandfarliga lösningsmedel eller uppvärmningsprocesser som medför brandrisk.

Riskerna vid tillverkningen av batterikemikalier beror på de farliga egenskaperna hos kemikalier som hanteras och lagras samt förhållandena i tillverkningsprocessen, såsom temperatur och tryck. Verksamhetens säkerhet säkerställs genom att identifiera faror, bedöma deras sannolikhet och konsekvenser och genom att fastställa riskminimerande åtgärder. Företaget ska kunna förhindra explosioner och bränder på anläggningen samt samla upp eventuella kemikalieläckor.

För att förhindra explosioner identifieras explosionsfarliga utrymmen (till exempel upplag för brännbara vätskor) och säkerställs att anordningar i utrymmet i fråga inte kan fungera som antändningskällor.

Vid upplagring av kemikalier säkerställer man att kemikalier som reagerar med varandra inte kan blandas med varandra ens vid läckage. Farliga kemikalier lagras på sina egna, märkta platser och i processutrymmet får endast den mängd kemikalier som är nödvändig förvaras.

Kemikalietankarna och rörsystemen ska vara täta och tåla de kemikalier som finns i dem. Genom förebyggande och korrigerande underhåll säkerställer man att tankar, rörsystem och annan utrustning hålls i gott skick och inte orsakar läckage eller andra olyckor.