Critical raw materials for electric vehicles and battery technologies: supply risks, impact on the industry and strategic insights

Abstract

En els darrers anys ha augmentat l'ús de vehicles elèctrics a la indústria de l'automòbil. Per fabricar aquests vehicles calen matèries primeres crítiques, entre les quals destaquen el cobalt, el níquel, el liti i el manganès per a les bateries i el platí per a les piles de combustible. Les quantitats de matèries primeres que seran necessàries per aconseguir una implantació generalitzada dels vehicles elèctrics dependran en gran mesura de les tecnologies que s'utilitzen. En aquesta tesi s'han revisat les principals tecnologies de bateries utilitzades en la indústria de l'automòbil i les matèries primeres crítiques necessàries per produir-les. A partir d'aquí s'han seguit tres línies de recerca.

A la primera línia de recerca, es van calcular les projeccions de demanda de matèries primeres crítiques considerant una implantació generalitzada de vehicles elèctrics de bateria i vehicles elèctrics híbrids endollables. Per a cada matèria primera crítica, cobalt, liti, manganès, níquel, es van calcular també els efectes potencials de cadascuna de les diferents tecnologies de bateries. A més, es van calcular les projeccions de reciclatge de les matèries primeres esmentades de les bateries per determinar la viabilitat dels enfocaments d’economia circular en les matèries primeres esmentades. Els resultats van mostrar com l’ús de diferents tecnologies de bateries i l’aplicació del reciclatge de bateries poden canviar significativament la futura demanda de matèries primeres crítiques i, per tant, mitigar els riscos de la cadena de subministrament.

A la segona línia de recerca, es van calcular projeccions de demanda de matèries primeres crítiques considerant una implantació generalitzada de vehicles elèctrics de pila d'hidrogen. L'anàlisi va considerar diferents opcions de disseny de vehicles i diferents tecnologies de bateries i piles de combustible per determinar aquests impactes. Els resultats van mostrar com, amb la implantació dels vehicles elèctrics de pila d'hidrogen a la indústria automobilística, la producció de platí no seria suficient i caldria esperar una escassetat de subministrament.

A la tercera línia de recerca, es van determinar els efectes de l'electrificació dels vehicles de nous a Europa a partir de dades reals de conducció sobre les emissions de CO2 i les necessitats de matèries primeres crítiques. Es van utilitzar dades empíriques del perfil de conducció real per desenvolupar una nova metodologia que permetés determinar els enfocaments d'electrificació de les flotes. A partir d´aquí, es van considerar dos possibles enfocaments d´electrificació: (i) l´electrificació òptima des del punt de vista mediambiental, és a dir, l´electrificació basada en la combinació de tipus de vehicles que produeix les menors emissions de CO2 considerant el cicle de vida complet, i (ii) l'electrificació completa amb vehicles elèctrics de bateria, és a dir, l'electrificació basada en la conversió a vehicles elèctrics de bateria per a tots els vehicles. En tots dos casos, els efectes potencials de 4 diferents tecnologies de bateries i piles de combustible sobre les necessitats d’extracció de matèries primeres i l’impacte resultant sobre les emissions de CO2. Els resultats mostren que la producció de vehicles elèctrics i les matèries primeres crítiques necessàries continuen plantejant importants reptes mediambientals. D'altra banda, la comprensió del comportament de conducció d'una població es pot utilitzar per determinar el tipus de vehicle i la tecnologia adequats per minimitzar les emissions de CO2 i les necessitats de primeres matèries crítiques. A més, l'ús de tecnologies innovadores de bateries també pot contribuir a reduir les necessitats de primeres matèries crítiques i, per tant, les emissions de CO2 derivades de la seva extracció.

En los últimos años ha aumentado el uso de vehículos eléctricos en la industria del automóvil. Para fabricar estos vehículos se necesitan materias primas críticas, entre las que destacan el cobalto, el níquel, el litio y el manganeso para las baterías y el platino para las pilas de combustible. Las cantidades de materias primas que serán necesarias para lograr una implantación generalizada de los vehículos eléctricos dependerán en gran medida de las tecnologías que se utilicen. En la presente tesis se han revisado las principales tecnologías de baterías utilizadas en la industria del automóvil y las materias primas críticas necesarias para producirlas. Apartir de ahí, se han seguido tres líneas de investigación.

En la primera línea de investigación, se calcularon las proyecciones de demanda de materias primas críticas considerando una implantación generalizada de vehículos eléctricos de batería y vehículos eléctricos híbridos enchufables. Para cada materia prima crítica, cobalto, litio, manganeso, níquel, se calcularon también los efectos potenciales de cada una de las diferentes tecnologías de baterías. Además, se calcularon las proyecciones de reciclado de dichas materias primas de las baterías para determinar la viabilidad de los enfoques de economía circular en dichas materias primas. Los resultados mostraron cómo el uso de diferentes tecnologías de baterías y la aplicación del reciclaje de baterías pueden cambiar significativamente la futura demanda de materias primas críticas y, por tanto, mitigar los riesgos de la cadena de suministro.

En la segunda línea de investigación, se calcularon proyecciones de demanda de materias primas críticas considerando una implantación generalizada de vehículos eléctricos de pila de hidrógeno. El análisis consideró diferentes opciones de diseño de vehículos y diferentes tecnologías de baterías y pilas de combustible para determinar tales impactos. Los resultados mostraron cómo, con la implantación de los vehículos eléctricos de pila de hidrógeno en la industria automovilística, la producción de platino no sería suficiente y habría que esperar una escasez de suministro.

En la tercera línea de investigación, se determinaron los efectos de la electrificación de los vehículos de nueva venta en Europa a partir de datos reales de conducción sobre las emisiones de CO2 y las necesidades de materias primas críticas. Se utilizaron datos empíricos del perfil de conducción real para desarrollar una nueva metodología que permitiera determinar los enfoques de electrificación de las flotas. A partir de ahí, se consideraron dos posibles enfoques de electrificación: (i) la electrificación óptima desde el punto de vista medioambiental, es decir, la electrificación basada en la combinación de tipos de vehículos que produce las menores emisiones de CO2 considerando el ciclo de vida completo, y (ii) la electrificación completa con vehículos eléctricos de batería, es decir, la electrificación basada en la conversión a vehículos eléctricos de batería para todos los vehículos. En ambos casos, los efectos potenciales de 4 diferentes tecnologías de baterías y pilas de combustible sobre las necesidades de extracción de materias primas y el impacto resultante sobre las emisiones de CO2. Los resultados muestran que la producción de vehículos eléctricos y sus materias primas críticas necesarias siguen planteando importantes retos medioambientales. Por otra parte, la comprensión del comportamiento de conducción de una población puede utilizarse para determinar el tipo de vehículo y la tecnología adecuados para minimizar las emisiones de CO2 y las necesidades de materias primas críticas. Además, el uso de tecnologías innovadoras de baterías también puede contribuir a reducir las necesidades de materias primas críticas y, por tanto, las emisiones de CO2 derivadas de su extracción.

Use of electric vehicles in the passenger car industry has been increasing in recent years. In order to produce such vehicles, critical raw materials are required, the main ones being cobalt, nickel, lithium, and manganese for batteries and platinum for fuel cells. The amounts of raw materials the will be necessary to achieve a widespread implementation of electric vehicles will highly depend on the technologies that are being used. The present thesis reviewed the main battery technologies used in the automotive industry and the critical raw materials required to produce them. Based on this, three lines of research were pursued.

In the first line of research, critical raw material demand projections were calculated considering a widespread implementation of battery electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles. For each critical raw material, cobalt, lithium, manganese, nickel, the potential effects of each different battery technology were also calculated. Furthermore, recycling projections were calculated for such battery raw materials to determine the viability of closed-loop approaches in such raw materials. The results showed how use of different battery technologies and the implementation of battery recycling can significantly change future critical raw material demand and, thereby, mitigate supply chain risks.

In the second line of research, critical raw material demand projections were calculated considering a widespread implementation of fuel cell electric vehicles. The analysis considered different vehicle design options and different battery and fuel cell technologies to determine such impacts. The results showed how, with fuel cell electric vehicle implementation in the automotive industry, platinum production would not be sufficient and supply shortages would have to be expected.

In the third line of research, the effects of electrification for newly sold vehicles in Europe based on real driving data on CO2 emissions and needs of critical raw materials were determined. Empirical real-world driving profile data was used in order to develop a new methodology to determine fleet electrification approaches. Based on that, two potential electrification approaches were considered: (i) environmentally optimal electrification i.e. the electrification based on the mix of vehicle types that produces the lowest CO2 emissions considering the full life cycle, and (ii) full electrification with battery electric vehicles, i.e. electrification based on the conversion to battery electric vehicles for all vehicles. In both cases, the potential effects of different battery technologies and fuel cell technologies on raw material extraction needs and the resulting impact on CO2 emissions were calculated. The results show that production of electric vehicles and their required critical raw materials still pose significant environmental challenges. Furthermore, understanding the driving behavior of a population, can be used to determine the right drivetrain and technology to minimize CO2 emissions and critical raw material needs. In addition, use of innovative battery technologies can also contribute to reducing critical raw materials needs and, therefore, CO2 emissions from their extraction.