Το επόμενο σύνορο στην ανακύκλωση μπαταριών EV: Γραφίτης

Αυτή η ιστορία δημοσιεύτηκε αρχικά από

Αλεσμα

. Εγγραφείτε στο Grist’s

εβδομαδιαίο ενημερωτικό δελτίο εδώ

.

Καθώς όλο και περισσότεροι Αμερικανοί αγκαλιάζουν τα ηλεκτρικά οχήματα, οι αυτοκινητοβιομηχανίες και η ομοσπονδιακή κυβέρνηση αγωνίζονται για να εξασφαλίσουν τα υλικά που χρειάζονται για την κατασκευή μπαταριών EV, συμπεριλαμβανομένης της απόρριψης δισεκατομμυρίων δολαρίων σε

ανακύκλωση μπαταριών

. Σήμερα, οι ανακυκλωτές επικεντρώνονται στην ανάκτηση πολύτιμων μετάλλων όπως το νικέλιο και το κοβάλτιο από χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Όμως, καθώς ο εμπορικός πόλεμος μεταξύ των ΗΠΑ και της Κίνας κλιμακώνεται, ορισμένοι εξετάζουν τώρα πιο προσεκτικά ένα άλλο ορυκτό μπαταριών που οι σημερινές διαδικασίες ανακύκλωσης αντιμετωπίζουν κάτι περισσότερο από απόβλητα.

Την 1η Δεκεμβρίου, η Κίνα εφάρμοσε νέους ελέγχους εξαγωγών στον γραφίτη, το ορυκτό με βάση τον άνθρακα που είναι περισσότερο γνωστό ότι χρησιμοποιείται σε μολύβια, αλλά χρησιμοποιείται επίσης σε πιο εκλεπτυσμένη μορφή σε εμπορικές ανόδους μπαταριών EV. Οι νέες πολιτικές, που η κινεζική κυβέρνηση

ανακοινώθηκε τον Οκτώβριο

λίγο μετά την κυβέρνηση

Μπάιντεν


αυξημένους περιορισμούς

σχετικά με τις εξαγωγές προηγμένων ημιαγωγών στην Κίνα, έχουν

ανησύχησε τους αμερικανούς νομοθέτες

και

εγείρει ανησυχίες

ότι οι κατασκευαστές μπαταριών εκτός Κίνας θα αντιμετωπίσουν νέες προκλήσεις εξασφαλίζοντας τα υλικά που χρειάζονται για τις ανόδους. Σήμερα η Κίνα

κυριαρχεί σε κάθε βήμα της εφοδιαστικής αλυσίδας ανόδου της μπαταρίας

από την εξόρυξη γραφίτη και την παραγωγή συνθετικού γραφίτη έως την κατασκευή ανόδου.

Μαζί με μια νέα ομοσπονδιακή έκπτωση φόρου που επιβραβεύει τις αυτοκινητοβιομηχανίες που χρησιμοποιούν ορυκτά που παράγονται στην Αμερική, οι έλεγχοι των εξαγωγών της Κίνας ενισχύουν το ενδιαφέρον της αυτοκινητοβιομηχανίας των ΗΠΑ για γραφίτη εγχώριας προέλευσης. Όμως, ενώ μπορεί να χρειαστούν πολλά χρόνια για να δημιουργηθούν νέα ορυχεία γραφίτη και εγκαταστάσεις παραγωγής, υπάρχει μια άλλη, δυνητικά ταχύτερη επιλογή: Η συλλογή γραφίτη από νεκρές μπαταρίες. Καθώς οι ανακυκλωτές μπαταριών στις ΗΠΑ κατασκευάζουν μεγάλες νέες εγκαταστάσεις για την ανάκτηση δαπανηρών μετάλλων μπαταριών, ορισμένοι προσπαθούν επίσης να ανακαλύψουν πώς να ανακυκλώσουν γραφίτη ποιότητας μπαταρίας – κάτι που δεν γίνεται σε κλίμακα πουθενά στον κόσμο σήμερα λόγω

τεχν

ικών και οικονομικών φραγμών. Αυτές οι εταιρείες βοηθούνται από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, το οποίο τώρα ρίχνει δεκάδες εκατομμύρια δολάρια σε πρωτοβουλίες ανακύκλωσης γραφίτη που στοχεύουν στην απάντηση σε βασικά ερευνητικά ερωτήματα και στη δημιουργία εργοστασίων επίδειξης.

Εάν οι προκλήσεις που εμποδίζουν την εμπορική ανακύκλωση γραφίτη μπορούν να ξεπεραστούν, «το ρεύμα χρησιμοποιούμενου γραφίτη θα μπορούσε να είναι τεράστιο»,

Matt Keyser

, ο οποίος διαχειρίζεται την ομάδα αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας, είπε στο Grist. Εκτός από την ενίσχυση των εγχώριων προμηθειών, η ανακύκλωση γραφίτη θα αποτρέψει τη σπατάλη κρίσιμων πόρων της μπαταρίας και θα μπορούσε να μειώσει τις εκπομπές άνθρακα που συνδέονται με την παραγωγή μπαταριών.

Για να καταλάβουμε γιατί ο γραφίτης είναι δύσκολο να ανακυκλωθεί, χρειάζεται λίγη επιστήμη των υλικών.

Γραφίτης

είναι μια ορυκτή μορφή άνθρακα που έχει μεταλλικές και μη μεταλλικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας και της χημικής αδράνειας. Αυτές οι ιδιότητες το καθιστούν χρήσιμο για μια ποικιλία ενεργειακών και βιομηχανικών εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης ενέργειας στο εσωτερικό

μπαταρίες ιόντων λιθίου

. Ενώ μια μπαταρία ιόντων λιθίου φορτίζεται, τα ιόντα λιθίου ρέουν από τη μεταλλική κάθοδο στην άνοδο του γραφίτη, ενσωματώνοντας τον εαυτό τους μεταξύ κρυσταλλικών στρωμάτων των ατόμων άνθρακα. Αυτά τα ιόντα απελευθερώνονται ενώ η μπαταρία χρησιμοποιείται, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα.

Ο γραφίτης μπορεί να βρεθεί στη φύση ως κρυσταλλικές νιφάδες ή μάζες, οι οποίες εξορύσσονται και στη συνέχεια επεξεργάζονται για να παράγουν τα μικρά, σφαιρικά σωματίδια που απαιτούνται για την παραγωγή ανόδου. Ο γραφίτης παράγεται επίσης συνθετικά με θέρμανση υποπροϊόντων άνθρακα ή παραγωγής πετρελαίου σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 2.500 βαθμούς Κελσίου (περίπου 4.500 μοίρες Fahrenheit)-μια ενεργειακή-έντονη (και συχνά ένταση εκπομπών) που προκαλεί “γραφίτη” των ατόμων άνθρακα.

Σχετικά φθηνό για τη δική μου ή την κατασκευή, ο γραφίτης είναι χαμηλότερος σε τιμή από πολλά από τα μέταλλα μέσα σε κάθοδοι μπαταριών, τα οποία μπορεί να περιλαμβάνουν λίθιο, νικέλιο, κοβάλτιο και μαγγάνιο. Εξαιτίας αυτού, οι ανακυκλωτές μπαταριών παραδοσιακά δεν έδειχναν μεγάλο ενδιαφέρον για αυτό. Αντ ‘αυτού, με πολλούς ανακυκλωτές μπαταριών που προέρχονται από τις επιχειρήσεις διύλισης των μετάλλων, έχουν επικεντρωθεί σε αυτό που ήδη ήξεραν πώς να κάνουν: εξάγοντας και καθαρισμό αυτών των καθόδων μετάλλων, συχνά στη στοιχειακή τους μορφή. Ο γραφίτης, ο οποίος μπορεί να περιλαμβάνει έως και 30 τοις εκατό μιας μπαταρίας EV κατά βάρος, αντιμετωπίζεται ως υποπροϊόν, με τους ανακυκλωτές είτε να το καίγονται για ενέργεια είτε να το διαχωρίζουν για να καλυφθούν.

«Μέχρι πρόσφατα, οι άνθρωποι που μιλούσαν για ανακύκλωση για μπαταρίες κυνηγούσαν πραγματικά αυτά τα κουπόνια [metal] Στοιχεία επειδή ήταν υψηλή αξία … και επειδή αυτή η διαδικασία ανακύκλωσης μπορεί να επικαλύπτεται αρκετά με συμβατική επεξεργασία μετάλλων “, δήλωσε ο Ryan Melsert, Διευθύνων Σύμβουλος της Αμερικανικής Εταιρείας Τεχνολογίας Μπαταριών της Αμερικής, δήλωσε η Grist.

Για να αξίζει τον κόπο η ανακύκλωση γραφίτη, οι ανακυκλωτές πρέπει να αποκτήσουν ένα προϊόν υψηλής απόδοσης, ποιότητας μπαταρίας. Για να το πράξουν, χρειάζονται μεθόδους που διαχωρίζουν τον γραφίτη από οτιδήποτε άλλο, αφαιρέστε τυχόν μολυντές όπως μέταλλα και κόλλες και αποκαθιστά την αρχική γεωμετρική δομή του υλικού, κάτι που γίνεται συχνά με την εφαρμογή

έντονη ζέστη

.

Οι προσεγγίσεις ακατέργαστης ανακύκλωσης όπως η πυρομεταλλουργία, μια παραδοσιακή διαδικασία κατά την οποία οι μπαταρίες λιώνουν σε φούρνο, δεν θα λειτουργήσουν για τον γραφίτη. «Περισσότερο από πιθανό ότι θα κάψετε τον γραφίτη» χρησιμοποιώντας πυρομεταλλουργία, είπε ο Keyser.

Σήμερα, η βιομηχανία ανακύκλωσης της μπαταρίας απομακρύνεται από την πυρομεαλκουργία και αγκαλιάζει τις υδρομεταλλουργικές προσεγγίσεις, στις οποίες οι νεκρές μπαταρίες είναι τεμαχισμένες και διαλυμένες σε χημικά διαλύματα για να εξαχθούν και να καθαρίσουν διάφορα μέταλλα. Οι προσεγγίσεις χημικής εκχύλισης θα μπορούσαν να προσαρμοστούν για τον καθαρισμό γραφίτη, αν και εξακολουθούν να υπάρχουν “ζητήματα υλικοτεχνικής υποστήριξης”, σύμφωνα με τον Keyser. Οι περισσότερες διεργασίες υδρομεταλλικής ανακύκλωσης χρησιμοποιούν ισχυρά οξέα για την εξαγωγή καθοδικών μετάλλων, αλλά αυτά τα οξέα μπορούν να βλάψουν την κρυσταλλική δομή του γραφίτη. Μπορεί να χρειαστεί ένα μεγαλύτερο ή πιο εντατικό βήμα θερμικής επεξεργασίας για την αποκατάσταση του σχήματος του γραφίτη μετά την εξαγωγή, αυξάνοντας τη χρήση ενέργειας και το κόστος.

Μια τρίτη προσέγγιση είναι η άμεση ανακύκλωση, κατά την οποία τα υλικά της μπαταρίας διαχωρίζονται και επισκευάζονται για επαναχρησιμοποίηση χωρίς τήξη ή επεξεργασία με οξύ. Αυτή η πιο ήπια διαδικασία στοχεύει να διατηρήσει ανέπαφη τη δομή των υλικών. Η άμεση ανακύκλωση είναι μια νεότερη ιδέα που απέχει πολύ από την εμπορευματοποίηση σε σχέση με τις άλλες δύο μεθόδους και υπάρχουν κάποιες προκλήσεις που την κλιμακώνουν επειδή βασίζεται στον πολύ καθαρό και αποτελεσματικό διαχωρισμό των υλικών. Αλλά

πρόσφατη έρευνα προτείνει

ότι για τα μέταλλα καθόδου, μπορεί να έχει σημαντικά περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη. Η άμεση ανακύκλωση του γραφίτη, είπε ο Keyser, έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιεί «πολύ λιγότερη ενέργεια» από την παραγωγή συνθετικού γραφίτη.

Σήμερα, οι εταιρείες εξερευνούν μια σειρά από διαδικασίες ανακύκλωσης γραφίτη.

Η American Battery Technology Company έχει αναπτύξει μια προσέγγιση που ξεκινά με τον φυσικό διαχωρισμό γραφίτη από άλλα υλικά μπαταρίας όπως τα καθοδικά μέταλλα, ακολουθούμενη από ένα βήμα χημικού καθαρισμού. Στη συνέχεια χρησιμοποιούνται πρόσθετες μηχανικές και θερμικές επεξεργασίες για την αποκατάσταση της αρχικής δομής του γραφίτη. Η εταιρεία ανακυκλώνει επί του παρόντος γραφίτη σε «πολύ μικρή κλίμακα» στις εργαστηριακές της εγκαταστάσεις στο Ρίνο της Νεβάδα, είπε ο Melsert. Όμως, στο μέλλον, σχεδιάζει να κλιμακώσει μέχρι την ανακύκλωση αρκετών τόνων υλικού πλούσιου σε γραφίτη την ημέρα με τη βοήθεια τριετούς, σχεδόν

10 εκατομμύρια δολάρια Υπουργείο Ενέργειας

επιχορήγηση που χρηματοδοτείται μέσω του δικομματικού νόμου για τις υποδομές του 2021.

Η startup ανακύκλωσης μπαταριών Ascend Elements με έδρα τη Μασαχουσέτη έχει επίσης αναπτύξει μια χημική διαδικασία για τον καθαρισμό του γραφίτη. Η διαδικασία της Ascend Elements, που ονομάζεται “hydro-to-anode”, “προέρχεται από μερικές από τις εργασίες που έχουμε κάνει στην υδροηλεκτρική σε κάθοδο,” της εταιρείας

πατενταρισμένη υδρομεταλλουργική διεργασία

για την ανακύκλωση υλικών καθόδου, δήλωσε ο Roger Lin, αντιπρόεδρος του παγκόσμιου μάρκετινγκ και των κυβερνητικών σχέσεων στην εταιρεία. Ο Lin είπε ότι το Ascend Elements είναι σε θέση να μεταφέρει τον γραφίτη που έχει μολυνθεί κατά τη διάρκεια ενός αρχικού τεμαχισμού σε καθαρότητα 99,9%, υπερβαίνοντας τις απαιτήσεις της βιομηχανίας EV, διατηρώντας επίσης τις ιδιότητες υλικού που απαιτούνται για ανόδους υψηλής απόδοσης. Τον Οκτώβριο, Ascend Elements και Koura

Global


ανακοίνωσε σχέδια

για την κατασκευή της πρώτης «προηγμένης εγκατάστασης ανακύκλωσης γραφίτη» στις ΗΠΑ

Η startup που υποστηρίζεται από το Υπουργείο Ενέργειας Princeton NuEnergy, εν τω μεταξύ, διερευνά την άμεση ανακύκλωση του γραφίτη. Πέρυσι, το Princeton NuEnergy

άνοιξε το πρώτο εργοστάσιο άμεσης ανακύκλωσης σε πιλοτική κλίμακα

στις ΗΠΑ στο McKinney του Τέξας. Εκεί, οι μπαταρίες τεμαχίζονται και μια σειρά από διαδικασίες φυσικού διαχωρισμού χρησιμοποιούνται για την ταξινόμηση διαφορετικών υλικών, συμπεριλαμβανομένων των υλικών καθόδου και ανόδου. Στη συνέχεια, τα υλικά καθόδου τοποθετούνται σε αντιδραστήρες χαμηλής θερμοκρασίας για την απομάκρυνση των ρύπων, ακολουθούμενα από πρόσθετα βήματα για την ανασύσταση της αρχικής τους δομής. Η ίδια γενική προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία υλικών ανόδου, σύμφωνα με τον ιδρυτή και διευθύνοντα σύμβουλο Chao Yan.

«Από την πρώτη μέρα, σκεφτόμαστε να ανακυκλώσουμε το υλικό καθόδου και ανόδου», είπε ο Yan. Αλλά μέχρι τώρα, η εταιρεία είχε επικεντρωθεί στην εμπορευματοποίηση της άμεσης ανακύκλωσης για καθόδους. Ο λόγος, είπε ο Yan, είναι απλός: «Κανένας πελάτης δεν νοιαζόταν για τα υλικά ανόδου στο παρελθόν».

Αυτό, όμως, αρχίζει να αλλάζει. Ο Yan είπε ότι τον περασμένο χρόνο —και ειδικά τους τελευταίους μήνες από τότε που η Κίνα ανακοίνωσε τους νέους ελέγχους εξαγωγών της— οι αυτοκινητοβιομηχανίες και οι κατασκευαστές μπαταριών έχουν δείξει μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την ανακύκλωση γραφίτη. Ο Melsert είπε επίσης ότι έχει αρχίσει να βλέπει «πολύ σημαντικό ενδιαφέρον» για τον ανακυκλωμένο γραφίτη.

Ωστόσο, οι πελάτες θα πρέπει να περιμένουν λίγο περισσότερο προτού μπορέσουν να αγοράσουν ανακυκλωμένο γραφίτη για τις μπαταρίες τους. Οι μέθοδοι για τον καθαρισμό και την επισκευή του γραφίτη εξακολουθούν να χρειάζονται βελτίωση για να μειωθεί το κόστος ανακύκλωσης, σύμφωνα με τον Brian Cunningham, διευθυντή προγράμματος Έρευνας και Ανάπτυξης μπαταριών στο Γραφείο Τεχνολογιών Οχημάτων του Υπουργείου Ενέργειας. Ένα άλλο περιοριστικό βήμα είναι αυτό που ο Cunningham αποκαλεί «βήμα πιστοποίησης υλικών».

“Πρέπει να φτάσουμε τον ανακυκλωμένο γραφίτη σε ένα επίπεδο όπου οι εταιρείες μπορούν να παρέχουν δείγματα υλικών σε εταιρείες μπαταριών για να αξιολογήσουν το υλικό”, δήλωσε ο Cunningham


είπε. Η διαδικασία μετάβασης από την παραγωγή πολύ μικρής κλίμακας σε επίπεδα που επιτρέπουν στους κατασκευαστές EV να δοκιμάσουν ένα προϊόν, «θα μπορούσε να διαρκέσει αρκετά χρόνια για να ολοκληρωθεί», πρόσθεσε. «Μόλις ο ανακυκλωμένος γραφίτης εισέλθει στη διαδικασία αξιολόγησης, θα πρέπει να αρχίσουμε να βλέπουμε μια άνοδο στις εταιρείες που δημιουργούν εξοπλισμό πιλοτικής και εμπορικής κλίμακας».

Οι ανησυχίες της εφοδιαστικής αλυσίδας θα μπορούσαν να επιταχύνουν το ταξίδι της ανακύκλωσης γραφίτη προς την εμπορευματοποίηση. Το καλοκαίρι, το Υπουργείο Ενέργειας πρόσθεσε φυσικό γραφίτη σε αυτό

κατάλογο κρίσιμων υλικών

για ενέργεια. Ο γραφίτης βρίσκεται επίσης στο Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ

κατάλογος κρίσιμων ορυκτών

— ορυκτά που είναι απαραίτητα για προηγμένες τεχνολογίες αλλά διατρέχουν κίνδυνο διακοπής του εφοδιασμού.

Αυτή η ταξινόμηση σημαίνει ότι ο γραφίτης εγχώριας προέλευσης μπορεί να βοηθήσει τα EV να πληρούν τις προϋποθέσεις για την «πίστωση καθαρού οχήματος», μια πίστωση φόρου που περιλαμβάνει

αυστηρές απαιτήσεις

γύρω από την κρίσιμη προμήθεια ορυκτών μετά τον νόμο του 2022 για τη μείωση του πληθωρισμού. Για να πληρούν τις προϋποθέσεις για την πλήρη πίστωση, οι κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων πρέπει να προμηθευτούν ένα μεγάλο μέρος των ορυκτών μπαταριών τους από τις ΗΠΑ ή από έναν εταίρο ελεύθερου εμπορίου. Έως το 2025, τα οχήματά τους δεν θα μπορούν να περιέχουν κρίσιμα ορυκτά που εξορύσσονται ή υποβάλλονται σε επεξεργασία από μια «ξένη οντότητα ανησυχίας» — μια οντότητα συνδεδεμένη με μια σύντομη λίστα ξένων χωρών που

περιλαμβάνει την Κίνα

. Αυτή η απαίτηση θα μπορούσε να «αποφέρει ένα premium» για εγχώρια ανακυκλωμένο γραφίτη, είπε ο Lin.

Τα φορολογικά κίνητρα θα μπορούσαν να είναι βασικά για να βοηθήσουν τον ανακυκλωμένο γραφίτη να ανταγωνιστεί τον παρθένο γραφίτη, σύμφωνα με τον Yuan Gu, αναλυτή γραφίτη στην εταιρεία συμβούλων

Benchmark

Mineral Intelligence. Παρά τους νέους ελέγχους εξαγωγών της Κίνας, η Gu αναμένει ότι ο γραφίτης θα παραμείνει σχετικά φθηνός στο εγγύς μέλλον λόγω της «υπερ

προσφορά

ς» γραφίτη στην αγορά αυτή τη στιγμή. Ενώ ο Gu είπε ότι η ανακύκλωση γραφίτη είναι «σίγουρα σε ραντάρ για τις δυτικές χώρες» που ενδιαφέρονται να εξασφαλίσουν μελλοντικές προμήθειες, η βιωσιμότητά της θα εξαρτηθεί από το «πόσο ακριβό ή φθηνό θα είναι το ανακυκλωμένο υλικό».

Εάν η ανακύκλωση γραφίτη πιάσει, οι εμπειρογνώμονες της βιομηχανίας ελπίζουν ότι θα μπορέσει να καλύψει ένα σημαντικό κλάσμα των μελλοντικών αναγκών της χώρας σε γραφίτη, οι οποίες είναι

αναπτύσσεται γρήγορα

καθώς η μετάβαση στην καθαρή ενέργεια επιταχύνεται—καθιστώντας παράλληλα πιο βιώσιμη ολόκληρη την αλυσίδα εφοδιασμού μπαταριών EV.

«Μπορείτε να βοηθήσετε τις περιφερειακές αλυσίδες εφοδιασμού, μπορείτε να βοηθήσετε με την αποτελεσματικότητα, με αποτυπώματα άνθρακα», είπε ο Lin. «Πιστεύω ότι αυτό θα συμβεί χωρίς μυαλό».