MANGAN
MANGAN
Mangan ist das zwölfthäufigste Element in der Erdkruste. Derzeit findet der größte Teil der weltweiten Produktion von Manganerz in Südafrika, China, Australien, Brasilien, Indien und Gabun statt. Mangan wird weltweit als Erz, Schlacke, Ferromangan, Silizium-Mangan und in einer Vielzahl anderer Formen gehandelt, wie in Mangansalzen, Oxiden und verschiedenen Reinheiten von raffiniertem Metall. Europa, Nordamerika, Japan, Korea und viele andere Länder importieren 100% ihres Manganbedarfs sowie elektrolytisches Mangan und Mangansulfat. Mangan ist ein kritischer Rohstoff für eine Vielzahl von Industrien, und große Teile der Weltwirtschaft sind von seiner zuverlässigen Versorgung abhängig.
Mangan ist entscheidend für die Herstellung praktisch aller Arten von Stahl. Dies entspricht etwa 90% des jährlichen Manganbedarfs. Im Durchschnitt enthält eine Tonne produzierter Stahl 0,5 bis 1% Mangan, und einige Spezialstahllegierungen können bis zu 15% Mangan enthalten. Die große und wachsende Nachfrage nach Stahl macht Mangan zu einem der am meisten genutzten Elemente
der Welt. Mangan wird auch zur Herstellung einer Vielzahl von speziellen Aluminiumlegierungen verwendet, darunter Materialien für die Luft- und Raumfahrt und Getränkedosenlager. Mangan wird auch in Schweißpulvern, Pigmenten, Rostschutzbeschichtungen, landwirtschaftlichen Bodenergänzungsmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln eingesetzt. Es ist ein wesentliches Element zur Erhaltung der Gesundheit von Mensch und Tier.
Eine wichtige Funktion von Mangan besteht in der Speicherung und Bereitstellung von Strom aus Batterien, einschließlich wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Batterien und nicht wiederaufladbarer Alkalizellen. Die Nachfrage nach Mangan steigt rasant im schnell wachsenden Bereich der wiederaufladbaren elektrischen Speicher, die eine sichere Speicherung hoher Energiekapazitäten ermöglichen - oft aus erneuerbaren Energiequellen. Die Nachfrage nach hochreinem Manganmetall und hochreinem Mangansulfat wird voraussichtlich in absehbarer Zeit drastisch steigen, was vor allem auf den Ausbau der Kapazitäten für die Produktion von Elektrofahrzeugen und Netzspeichern in Asien, Europa und Nordamerika zurückzuführen ist. Varianten der Nickel-Kobalt-Mangan-Batteriekathodenchemie (NMC) werden voraussichtlich die dominierenden Formulierungen im schnell wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge sein.
"Die Nachfrage nach Mangan steigt rasant im schnell wachsenden Bereich der wiederaufladbaren elektrischen Speicher, die eine sichere Speicherung hoher Energiekapazitäten ermöglichen - zunehmend aus erneuerbaren Energiequellen aufgeladen."
MANGAN-ENERGIE-MATERIALIEN
Die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen für innovative Materialien zur Herstellung von leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien haben sich in den letzten Jahren intensiviert. Hochleistungs-Nickel-Kobalt-Mangan (NMC) Lithium-Ionen-Batterien werden zunehmend in Elektrofahrzeugen und anderen Energiespeicheranwendungen eingesetzt. Diese Batterien speichern mehr Energie, benötigen eine kürzere Ladezeit, halten länger und gelten als sicherer als andere handelsübliche Batterietechnologien. Dadurch hat sich Mangan zu einem wichtigen Kathodenmaterial entwickelt und wird zunehmend als Hauptbestandteil bei der Herstellung von Elektrofahrzeug-, Elektronik- und Netzspeicherbatterien eingesetzt.
Aufgrund von Faktoren wie Liefersicherheit und Rohstoffkosten wird davon ausgegangen, dass die NMC-Batteriechemie in absehbarer Zeit die dominierende Technologie zur Herstellung von Elektrofahrzeugen sein wird. Zu den ersten Anwendern der NMC Lithium-Ionen-Batterietechnologie für Elektrofahrzeugbatterien gehören unter anderem Volkswagen, General Motors, Nissan, Fiat-Chrysler, BMW, Jaguar, Kia, Mercedes-Benz, Hyundai, Renault, Ford und Volvo.
Die Herstellungsverfahren und -formulierungen für Lithium-Ionen-Batterien erfordern erprobtes, hochreines Mangan und andere Batterierohstoffe, um sicherzustellen, dass die Batterien den immer anspruchsvolleren Anforderungen an Leistung, Sicherheit und Haltbarkeit entsprechen. Sie erfordern auch Präzision bei der Montage von Batteriezellen, um sicherzustellen, dass die Batteriechemie frei von Verunreinigungen ist. Das Einbringen von mikroskopisch kleinen Metallpartikeln oder anderen Verunreinigungen kann einen Kurzschluss auslösen, der zu Fehlfunktionen, Überhitzung und möglicher Explosion führt. Einige NMC-Kathodenhersteller nutzen die Nanotechnologie, um hochreines Mangansulfat, Kobaltsulfat und Nickelsulfat zu mischen und Kathodenoberflächenbeschichtungen herzustellen. Der Mangel an schädlichen Verunreinigungen und die Konsistenz dieser Materialien ist für den hochwertigen NMC-Kathodenherstellungsprozess unerlässlich.
Die Manganrohstoffe für die Vorläufer-Kathodenmaterialien von NMC-Batterien können in Form von hochreinem Manganmetall und hochreinem Mangansulfat geliefert werden.
MARKTPROGNOSE FÜR LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
Laut einer Marktstudie vom Januar 2019, die CPM Group LLC exklusiv für EMN erstellt hat, verzeichneten Lithium-Ionen-Batterien ein außerordentliches Nachfragewachstum: Die Produktion dieser Batterien stieg seit 2010 um 25% pro Jahr (CAGR) hauptsächlich für Anwendungen in Elektrofahrzeugen (EVs). Laut der Marktstudie der CPM Group wird erwartet, dass die Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge zwischen 2017 und 2027 um 35% und zwischen 2027 und 2040 etwas langsamer (um 10% CAGR) steigen wird.
Die meisten Li-Ionen-Batteriechemien verwenden Mangan in ihren Kathoden. Einige erfordern Mangan in Form von elektrolytischem Mangandioxid (EMD), aber die überwiegende Mehrheit erfordert hochreines Mangansulfat-Monohydrat (HPMSM).
Batteriezellenhersteller haben die Wahl, entweder hochreines elektrolytisches Manganmetall (HPEMM) zu kaufen und es intern zu HPMSM zu verarbeiten oder ein fertiges HPMSM von Drittanbietern zu erwerben. CPM Group LLC geht davon aus, dass mit zunehmender Reife der EV-Batterieindustrie die Einkäufe von HPMSM zunehmen und die Nachfrage nach HPEMM in diesem Sektor geringer wird. Aus verschiedenen Gründen würden die Batteriehersteller jedoch immer noch einen bestimmten Anteil an Manganals HPEMM kaufen. Das Basisszenario der CPM Group für das Jahr 2040 ging von einer 30% igen Deckung des Batteriebedarfs durch HPEMM und von 70% durch HPMSM aus.
Die Prognose der CPM Group für die Verwendung von Mangan in Li-Ionen-Batterien umfasst auch andere Batterieanwendungen wie Energiespeichersysteme (ESS, Netzstromspeicher oder Stromspeicher aus erneuerbaren Quellen) und Unterhaltungselektronik. Die Nachfrage von Batterien durch Elektrofahrzeuge wird jedoch im Jahr 2037 etwa 84% der gesamten Mangannachfrage des Batteriesektors ausmachen.
Die CPM Group und viele Batterieexperten wie Cairn ERA erwarten, dass die Nachfrage nach Mangan aus dem Batteriesektor bis 2037 um das 80-fache steigen wird (im Vergleich zu 2017).
Wie oben angegeben, kann dieser Bedarf entweder durch HPEMM oder HPMSM oder höchstwahrscheinlich durch eine Mischung der beiden Produkte gedeckt werden.
Manganbedarf durch Li-Ionen-Batterien
(Nur bei NMC- und LNMO-Batterien)
Quelle: Cairn, ERA, CPM
Dem massiven Wachstum in den nächsten zehn Jahren liegt die Entstehung von NMC als primärer Kathodentyp für Lithium-Ionen-Batterien zugrunde.
Die Kapazität von Batterien mit NMC-Kathodenchemie wird voraussichtlich von 13 GWH im Jahr 2017 auf 58 GWH im Jahr 2020 und erneut auf 389 GWH im Jahr 2026 steigen.
Auch andere nickelreiche Kathodenchemikalien, darunter Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumodix (NCA) und Lithium-Nickel-Manganoxid (LNMO), werden ebenfalls ein hohes Wachstum verzeichnen.
Die einzige Kathodenchemie, die an Marktgröße verlieren wird, wird Lithium-Mangan-Oxid (LMO) sein.
Andere Elektrodenchemikalien wie Lithiumeisenphosphat (LFP), Lithium-Kobaltoxid (LCO) und Lithium-Titanoxid (LTO) werden ein deutlich moderateres Wachstum verzeichnen.
Batteriechemien die HPEMM / HPMSM verwenden
Die NMC-Chemie ist weiter unterteilt in Kategorien, die nach dem Anteil der drei verwendeten Metalle benannt sind: derzeit dominiert die Chemie ist NMC-111, in der Ni, Mn und Co zu gleichen Teilen (nach Gewicht) verwendet werden. Auf dem Vormarsch sind NMC-622, NMC-532 und NMC-811 Chemien, wobei letztere als „Batterie der Zukunft“ benannt wurde, da sie eine große Reichweite für Elektroautos (500km mit einer einzigen Ladung) verspricht. Gleichzeitig bringt sie aber viele Probleme mit sich, die noch gelöst werden müssen (unter anderem thermische Instabilität und kurze Lebensdauer). Ein weiteres Problem, das die Hersteller von NMC-Batterien beunruhigt, ist die Versorgungssicherheit von Kobalt und der Kobaltpreis.
Batteriebedarf bis 2040 nach Chemie
Quelle: Cairn ERA, CPM
Die überwiegende Mehrheit der Produktion (und der Reserven und Ressourcen) von Kobalt stammt aus der Demokratischen Republik Kongo - einem sehr instabilen afrikanischen Land. In den derzeit dominierenden NMC-111-Batterien macht Kobalt fast 80% der Materialkosten für die Herstellung einer Kathode aus, obwohl es nur ein Drittel seines Gewichts ausmacht (zu Metallpreisen Mitte 2018). Diese beiden Faktoren treiben die Bemühungen der Batterieentwickler voran, Kobalt aus der Batteriechemie herauszuholen oder dessen Verwendung zumindest erheblich zu reduzieren– daher die neuen Chemienwie NMC-622, NMC-532 oder NMC-811. Das bisher kobalteffizienteste Design sind NMC-370 und NMC-271, die im Oktober 2018 vom deutschen Chemiekonzern BASF angekündigt wurden (es wird erwartet, dass beide Typen haben einen Kobaltverwendungvon <5% und einen Manganverwendungvon 75%haben werden). BASF hat erst wenigeDetails zu dieser Batterie mitgeteilt, ist jedoch zuversichtlichgenug in die Leistung, sodassBASFden Baubeginn für eineKathodenmaterialfabrik in Finnland, die in zwei Jahrenabgeschlossen sein soll,angekündigt hat.
ELEKTROLYTISCHES MANGAN
Elektrolytisches Mangan ist ein raffiniertes Manganprodukt, das durch die Reinigung und Elektrolyse einer manganreichen Lösung entsteht, die durch Lösen von Mangankarbonat oder kalziniertem Manganoxiderz hergestellt wird. Es gibt zwei Hauptformen von elektrolytischem Mangan: Elektrolytisches Mangan-Metall (EMM) und Elektrolytisches Mangandioxid (EMD).
Elektrolytisches Manganmetall (Electrolytic Manganese Metal, EMM) wird hauptsächlich in zwei Spezifikationen gehandelt: 99,7% (selenhaltiges EMM) und 99,9% rein (selenfreies hochreines EMM oder HPEMM), wobei nur etwa 2% der Weltproduktion in der Form mit dem höheren Reinheitsgrad erfolgen. 98% Prozent der weltweiten EMM-Produktion findet in China statt, meist über einen Prozess, der Selendioxid verwendet, um die Kristallstruktur des galvanisch abgeschiedenen Metalls zu modifizieren und die Wirkung von Verunreinigungen zu mildern, die den elektrischen Wirkungsgrad verringern. Die Verwendung von Selen, einem hochtoxischen Element, führt zu niedrigeren Produktionskosten, verursacht aber auch erhebliche Umweltauswirkungen und beeinflusst bekanntlich die Qualität von Folgeprodukten in Mangan-Wertschöpfungsketten, insbesondere für High-End-Anwendungen wie die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Hochreines EMM wird aus Südafrika und China bezogen, wo es nach einem selenfreien Verfahren hergestellt wird, das für anspruchsvolle Kunden mit geringeren Verunreinigungen attraktiv ist und für jene, die bessere Gesundheits- und Umweltergebnisse bevorzugen, als es mit selenhaltigem EMM erreichbar ist. Zusätzlich zu Selen erfordern bestimmte EMM-Typen die Verwendung von toxischem Kaliumdichromat als Passivierungsreagenz.
Euro Manganese Inc. plant, ein selen- und chromfreies Verfahren zur Herstellung von 99,9% reinem EMM einzusetzen, das sicherstellt, dass die Reinheitsanforderungen für bestimmte hochspezifische Stahl- und Aluminiumlegierungen, die hauptsächlich in technologisch anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt werden, erfüllt werden können.
China ist der größte Produzent und Verbraucher von selen- und chromhaltigem EMM, wobei der größte Teil der inländischen Produktion für die Herstellung von Edelstahl der Serie 200 verwendet wird, wo das Mangan die teureren Nickelinputs ersetzt. Der chinesische Nettoexport von EMM hat einen relativ kleinen Teil der lokalen Produktion ausgemacht, kann aber einen erheblichen Anteil am globalen EMM-Markt ausmachen. Chinesische EMM-Exporte werden auch an Kunden in Europa, Amerika, Japan, Korea und anderen Ländern verkauft, wo sie für die Herstellung von Spezialstahl und Aluminium sowie für Schweißpulver verwendet werden. Es wird erwartet, dass die Schwellenländer einen zunehmenden Anteil der Mangannachfrage ausmachen werden, da wertschöpfende Stahlproduktionskapazitäten aufgebaut werden, insbesondere in Ländern wie Indien. Die chinesische EMM-Produktion ist zunehmend auf importiertes Mangankarbonaterz, hauptsächlich aus Ghana, angewiesen. Sinkende inländische Mangankarbonat-Erzgehalte, deutlich strengere Umweltauflagen, steigende Arbeitskosten und steigende Energiekosten dürften die Kosten der EMM-Produktion langfristig beeinflussen.
EMD ist der Wirkstoff von primären Trockenbatterien, einer ausgereiften Industrie, die ein moderates Wachstum erwarten lässt. EMD wird auch zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit Lithium-Manganoxid (LMO)-Kathodenchemie verwendet, die hauptsächlich in Elektrofahrrädern und -werkzeugen sowie in Mobiltelefonen,Tablets, Laptops und Kameras eingesetzt werden.
MANGANSULFAT
Hochreines Mangansulfat Monohydrat (HPMSM), normalerweise mit einem Mangangehalt von 32%, ist ein kristallines Salz mit dem sehr niedrigen Verunreinigungsgehalt, der zur Herstellung hochwertiger Lithium-Ionen-Batterien mit NMC-Kathodenchemie erforderlich ist.
HPMSM kann direkt aus Mangankarbonaterz, synthetischem Mangankarbonat, aus kalziniertem Manganoxiderz oder aus hochreinem elektrolytischem Mangan hergestellt werden. Andere Gehalte von MSM werden für landwirtschaftliche, medizinische und diätetische Anwendungen verwendet, die jeweils unterschiedliche Konzentrationen einer Reihe von Verunreinigungen erfordern.
Während der 25-jährigen Laufzeit des Chvaletice-Mangan-Projekts wird Euro Mangan voraussichtlich 1,19 Millionen Tonnen HPEMM produzieren, von denen etwa zwei Drittel in HPMSM umgewandelt werden sollen. Das CMP-HPMSM-Produkt enthält mindestens 99,9% Mangansulfat-Monohydrat (MSM), mit einem Minimumgehalt von 32,34% Mangan, was den typischen Industriestandard übersteigt. Es wird in Pulverform verkauft und ohne Verwendung von Fluor hergestellt.