Ovu priču je prvobitno objavio Grist. Prijavite se za Gristov sedmični bilten ovdje.
Kako sve više i više Amerikanaca prihvaća električna vozila, proizvođači automobila i savezna vlada se utrkuju da obezbijede materijale potrebne za izradu EV baterija, uključujući ulaganje milijardi dolara u recikliranje baterija. Danas su recikleri fokusirani na obnavljanje vrijednih metala poput nikla i kobalta iz istrošenih litijum-jonskih baterija. Ali kako trgovinski rat između SAD-a i Kine eskalira, neki sada pobliže razmatraju još jedan mineral baterije koji današnji procesi recikliranja tretiraju kao otpad.
Kina je 1. decembra uvela nove kontrole izvoza grafita, minerala na bazi ugljika koji je najpoznatiji po tome što se koristi u olovkama, ali koji se također koristi u rafiniranijem obliku u komercijalnim anodama baterija za EV. Nova politika, koju je kineska vlada objavila u listopadu ubrzo nakon što je Bidenova administracija povećala ograničenja na izvoz naprednih poluvodiča u Kinu, uznemirila je američke zakonodavce i izazvala zabrinutost da će se proizvođači baterija izvan Kine suočiti s novim izazovima u osiguravanju materijala potrebnih za anode. Danas Kina dominira svakim korakom u lancu nabavke anoda za baterije, od vađenja grafita i proizvodnje sintetičkog grafita do proizvodnje anoda.
Uz novi federalni porezni kredit koji nagrađuje proizvođače automobila koji koriste minerale proizvedene u Americi, kineska kontrola izvoza povećava interes američke auto industrije za grafit domaćeg izvora. Ali dok bi za postavljanje novih rudnika grafita i proizvodnih pogona moglo potrajati mnogo godina, postoji još jedna, potencijalno brža opcija: sakupljanje grafita iz istrošenih baterija. Dok američki recikleri baterija grade velike nove pogone za oporavak skupih metala baterija, neki također pokušavaju da shvate kako reciklirati grafit za baterije – nešto što se danas ne radi u velikim količinama nigdje u svijetu zbog tehničkih i ekonomskih prepreka. Ovim kompanijama pomaže Ministarstvo energetike SAD-a, koje sada ulaže desetine miliona dolara u inicijative za reciklažu grafita koje imaju za cilj davanje odgovora na osnovna istraživačka pitanja i pokretanje demonstracionih postrojenja.
Ako se izazovi koji usporavaju komercijalno recikliranje grafita mogu prevladati, „tok korištenog grafita mogao bi biti ogroman“, rekao je za Grist Matt Keyser, koji upravlja grupom za skladištenje elektrohemijske energije u Nacionalnoj laboratoriji za obnovljivu energiju Ministarstva energetike. Osim povećanja domaće zalihe, recikliranje grafita spriječilo bi trošenje kritičnih resursa baterija i moglo bi smanjiti emisiju ugljika vezanu za proizvodnju baterija.
Da bismo razumjeli zašto je grafit teško reciklirati, potrebno je malo nauke o materijalima. Grafit je mineralni oblik ugljika koji ima i metalna i nemetalna svojstva, uključujući visoku električnu i toplotnu provodljivost i hemijsku inertnost. Ove kvalitete ga čine korisnim za razne energetske i industrijske primjene, uključujući skladištenje energije unutar litijum-jonskih baterija. Dok se litijum-jonska baterija puni, litijum joni teku iz metalne katode u grafitnu anodu, ugrađujući se između kristalnih slojeva atoma ugljenika. Ti ioni se oslobađaju dok je baterija u upotrebi, stvarajući električnu struju.
Grafit se u prirodi može naći kao kristalne ljuspice ili mase, koje se kopaju i zatim obrađuju kako bi se dobile male, sferične čestice potrebne za proizvodnju anode. Grafit se također proizvodi sintetički zagrijavanjem nusproizvoda proizvodnje uglja ili nafte na temperature veće od 2.500 stupnjeva Celzijusa (oko 4.500 stupnjeva Farenhajta) – energetski intenzivan (i često emisijski intenzivan) proces koji pokreće „grafitizaciju“ atoma ugljika.
Relativno jeftin za rudarenje ili proizvodnju, grafit je niže vrijednosti od mnogih metala unutar katoda baterija, koje mogu uključivati litijum, nikl, kobalt i mangan. Zbog toga, recikleri baterija tradicionalno nisu bili previše zainteresovani za to. Umjesto toga, s mnogim reciklerama baterija koji potiču iz poslovanja s rafiniranjem metala, fokusirali su se na ono što su već znali raditi: ekstrahiranje i pročišćavanje tih katodnih metala, često u njihovom elementarnom obliku. Grafit, koji može sadržavati do 30 posto EV baterije po težini, tretira se kao nusproizvod, a recikleri ga ili spaljuju radi dobivanja energije ili odvajaju na deponiju.
„Donedavno su ljudi koji su pričali o recikliranju baterija zaista išli na te tokene [metal] elemente jer su bili visoke vrijednosti… i zato što se taj proces recikliranja može prilično poklapati s konvencionalnom obradom metala,” rekao je za Grist Ryan Melsert, izvršni direktor američkog pokretača za baterijske materijale American Battery Technology Company.
Da bi se reciklaža grafita isplatila, recikleri moraju dobiti proizvod visokih performansi za baterije. Da bi to učinili, potrebne su im metode koje odvajaju grafit od svega ostalog, uklanjaju sve zagađivače poput metala i ljepila i vraćaju izvornu geometrijsku strukturu materijala, nešto što se često radi primjenom intenzivne topline.
Pristup sirove reciklaže poput pirometalurgije, tradicionalnog procesa u kojem se baterije tope u peći, neće raditi za grafit. „Više je nego verovatno da ćete sagoreti grafit” koristeći pirometalurgiju, rekao je Keyser.
Danas se industrija recikliranja baterija udaljava od pirometalurgije i prihvaća hidrometalurške pristupe, u kojima se istrošene baterije usitnjavaju i rastvaraju u kemijskim otopinama kako bi se ekstrahirali i pročistili različiti metali. Pristupi hemijskoj ekstrakciji mogli bi se prilagoditi za prečišćavanje grafita, iako i dalje postoje “logistički problemi”, kaže Keyser. Većina hidrometalurških procesa recikliranja koristi jake kiseline za ekstrakciju katodnih metala, ali te kiseline mogu oštetiti kristalnu strukturu grafita. Duži ili intenzivniji korak termičke obrade može biti potreban za vraćanje oblika grafita nakon ekstrakcije, povećavajući potrošnju energije i troškove.
Treći pristup je direktno recikliranje, u kojem se materijali baterija odvajaju i popravljaju za ponovnu upotrebu bez ikakvog topljenja ili obrade kiselinom. Ovaj nježniji proces ima za cilj da zadrži strukturu materijala netaknutom. Direktno recikliranje je novija ideja koja je dalje od komercijalizacije od druge dvije metode, a postoje neki izazovi u njenom povećanju jer se oslanja na vrlo čisto i efikasno razdvajanje materijala. Ali nedavna istraživanja sugeriraju da za katodne metale može imati značajne ekološke i troškovne koristi. Direktno recikliranje grafita, rekao je Keyser, ima potencijal da iskoristi “daleko manje energije” od proizvodnje sintetičkog grafita.
Danas kompanije istražuju niz procesa recikliranja grafita.
American Battery Technology Company razvila je pristup koji počinje fizičkim odvajanjem grafita od drugih materijala baterija kao što su metali katode, nakon čega slijedi korak kemijskog pročišćavanja. Dodatni mehanički i termički tretmani se zatim koriste za obnavljanje originalne strukture grafita. Kompanija trenutno reciklira grafit u “vrlo malom obimu” u svojim laboratorijskim objektima u Renu, Nevada, rekao je Melsert. Ali u budućnosti, planira da se poveća na recikliranje nekoliko tona materijala bogatog grafitom dnevno uz pomoć trogodišnjeg granta Ministarstva energetike od skoro 10 miliona dolara koji se finansira kroz dvostranački zakon o infrastrukturi iz 2021.
Startup za recikliranje baterija sa sjedištem u Massachusettsu Ascend Elements je također razvio hemijski proces za prečišćavanje grafita. Nazvan “hidro-to-anoda”, Ascend Elements-ov proces “dolazi od nekog posla koji smo obavili na hidro-katodi”, patentiranom hidrometalurškom procesu kompanije za recikliranje katodnih materijala, rekao je Roger Lin, potpredsjednik globalni marketing i odnosi sa vladom u firmi. Lin je rekao da je Ascend Elements u stanju da preuzme grafit koji je kontaminiran tokom početnog koraka usitnjavanja nazad na čistoću od 99,9 posto, premašujući zahtjeve industrije električnih vozila, dok istovremeno zadržava svojstva materijala potrebna za anode visokih performansi. U oktobru, Ascend Elements i Koura Global najavili su planove za izgradnju prvog “naprednog postrojenja za reciklažu grafita” u SAD-u
U međuvremenu, startup kompanije Princeton NuEnergy podržan od Ministarstva energetike, istražuje direktnu reciklažu grafita. Prošle godine, Princeton NuEnergy otvorio je prvu probnu tvornicu za direktnu reciklažu u SAD-u u McKinneyju u Teksasu. Tamo se baterije usitnjavaju i koristi se niz procesa fizičkog odvajanja za sortiranje različitih materijala, uključujući katodne i anodne materijale. Katodni materijali se zatim stavljaju u niskotemperaturne reaktore kako bi se uklonili zagađivači, nakon čega slijede dodatni koraci za rekonstituciju njihove originalne strukture. Prema osnivaču i izvršnom direktoru Chao Yanu, isti opći pristup može se koristiti za tretiranje anodnih materijala.
„Od prvog dana razmišljamo da se materijal katode i anode recikliraju“, rekao je Yan. Ali do sada, kompanija se fokusirala na komercijalizaciju direktne reciklaže za katode. Razlog je, rekao je Yan, jednostavan: “Nijednom kupcu nije bilo stalo do anodnih materijala u prošlosti.”
To se, međutim, počinje mijenjati. Yan je rekao da su se u protekloj godini – a posebno u posljednjih nekoliko mjeseci otkako je Kina objavila nove kontrole izvoza – proizvođači automobila i baterija povećali zanimanje za reciklažu grafita. Melsert je takođe rekao da počinje da vidi „veoma značajno interesovanje“ za reciklirani grafit.
Ipak, kupci će morati još malo pričekati prije nego što mogu kupiti reciklirani grafit za svoje baterije. Metode za pročišćavanje i popravku grafita i dalje je potrebno precizirati kako bi se smanjili troškovi recikliranja, kaže Brian Cunningham, menadžer programa za istraživanje i razvoj baterija u Uredu za tehnologiju vozila Ministarstva energetike. Još jedan ograničavajući korak je ono što Cunningham naziva “korak kvalifikacije materijala”.
„Moramo da dovedemo reciklirani grafit do nivoa na kojem kompanije mogu da obezbede uzorke materijala kompanijama za proizvodnju baterija da procene materijal“, Cunningham rekao je. Proces prelaska sa proizvodnje vrlo male na nivoe koji omogućavaju proizvođačima električnih vozila da testiraju proizvod, “mogao bi potrajati nekoliko godina da se završi”, dodao je. “Kada reciklirani grafit uđe u proces evaluacije, trebali bismo početi vidjeti porast u kompanijama koje postavljaju pilotsku i komercijalnu opremu.”
Zabrinutost u lancu snabdijevanja mogla bi ubrzati put recikliranja grafita ka komercijalizaciji. Tokom ljeta, Ministarstvo energetike je dodalo prirodni grafit na svoju listu kritičnih materijala za energiju. Grafit se takođe nalazi na listi kritičnih minerala Geološkog zavoda SAD – minerala koji su neophodni za napredne tehnologije, ali su u opasnosti od prekida u snabdevanju.
Ova klasifikacija znači da grafit domaćeg porijekla može pomoći električnim vozilima da se kvalificiraju za „kredit za čisto vozilo“, porezni kredit koji uključuje stroge zahtjeve oko kritičnih izvora minerala prema Zakonu o smanjenju inflacije iz 2022. godine. Da bi se kvalifikovali za puni kredit, proizvođači električnih vozila moraju nabaviti veliki dio minerala svojih baterija iz SAD-a ili partnera u slobodnoj trgovini. Do 2025. njihova vozila možda neće sadržavati kritične minerale koje ekstrahuje ili obrađuje „strani subjekt zabrinutosti“ — entitet povezan s užim spiskom stranih zemalja koji uključuje Kinu. Ovaj zahtjev bi mogao “potaknuti premiju” za domaći reciklirani grafit, rekao je Lin.
Porezne olakšice mogle bi biti ključne za pomoć recikliranom grafitu da se takmiči s devičanskim grafitom, smatra Yuan Gu, analitičar grafita u konsultantskoj kući Benchmark Mineral Intelligence. Uprkos novim kineskim kontrolama izvoza, Gu očekuje da će grafit ostati relativno jeftin u bliskoj budućnosti zbog „prekomerne ponude“ grafita na tržištu. Dok je Gu rekao da je reciklaža grafita “definitivno na radaru za zapadne zemlje” zainteresirane za osiguranje budućih zaliha, njegova održivost ovisit će o tome “koliko će reciklirani materijal biti skup ili jeftin”.
Ako se reciklaža grafita ipak uhvati, insajderi iz industrije se nadaju da će moći zadovoljiti značajan dio budućih potreba zemlje za grafitom – koje brzo rastu kako se tranzicija čiste energije ubrzava – dok će cijeli lanac opskrbe EV baterijama učiniti održivijim.
„Možete pomoći regionalnim lancima snabdijevanja, možete pomoći efikasnošću, ugljičnim otiscima“, rekao je Lin. “Mislim da je sasvim jasno da će se ovo dogoditi.”
Ovaj se članak prvobitno pojavio u Gristu na https://grist.org/transportation/the-next-frontier-in-ev-battery-recycling-graphite/.
Grist je neprofitna, nezavisna medijska organizacija posvećena pričanju priča o klimatskim rješenjima i pravednoj budućnosti. Saznajte više na Grist.org