Статья, опубликованная на этой неделе в журнале Наука и технология в области охраны окружающей среды, является первым анализом потока природного и синтетического графитового материала для США и рассматривает 11 областей конечного использования графита, две стадии обращения с отходами и три пути переработки.

"Если мы хотим производить больше батарей внутри страны, нам нужно увеличить производство графита", - сказала инженер-химик Северо-Западного университета Дженнифер Данн. "Но вопрос в том, как мы можем сделать это таким образом, чтобы способствовать достижению целей декарбонизации?"

Данн - адъюнкт-профессор химической и биологической инженерии в Северо-Западной инженерной школе Маккормика и директор Центра инженерной устойчивости и жизнестойкости. Соавторами статьи были Цзиньруй Чжан, который на момент начала исследования был аспирантом в области химической и биологической инженерии, и Чао Лян, ранее работавший в Северо-Западном институте устойчивого развития и энергетики (ISEN). Оба соавтора являются выпускниками исследовательской группы Данна.

В США используется в основном синтетический графит, который производится из побочных продуктов промышленности ископаемого топлива и создает парадоксальную взаимосвязь между графитом и такими технологиями, как электромобили (EV), которые направлены на устранение цепочек поставок ископаемого топлива из транспортных средств и сокращение выбросов парниковых газов.

Природный графит, с другой стороны, добывается в шахтах и импортируется в США в основном из Китая. Почти весь графит, используемый в США, идет на электроды для производства стали. По мере расширения цепочки поставок аккумуляторных батарей в США такие меры, как Закон о снижении инфляции, направлены на стимулирование использования отечественных материалов, включая графит, в батареях американского производства.

Учитывая растущее значение графита в технологиях накопления энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы, команда провела этот анализ, чтобы охарактеризовать основные пути добычи минерала, его основные виды применения и возможности сокращения потребления за счет вторичной переработки. Для исследования были использованы данные за 2018 год - самый последний период, когда данных было достаточно для такого рода анализа.

Большая часть графита, потребляемого в США в 2018 году, была синтетическим графитом, причем 63% этого графита было произведено внутри страны. Производство синтетического графита выделяет больше парниковых газов, чем добыча природного графита (выбросы парниковых газов в природном графите на 62-89% ниже). Синтетический графит также более дорогой. Однако США не добывают природный графит, а импортируют его, преимущественно из Китая.

Будучи единственным материалом, проводящим электричество, помимо металла, графит в основном используется для изготовления электродов при выплавке стали. По мере увеличения спроса на низкоуглеродистую сталь при производстве электродов может расходоваться больше графита. Во время выплавки стали графит сгорает и рассеивается - очень похоже на то, как графитовые карандаши начинают исчезать, когда вы ими пишете. Хотя извлечение рассеянного графита не является невозможным, это происходит редко, что уменьшает возможности извлечения минерала путем вторичной переработки. Технологии извлечения графита из литий-ионных аккумуляторов становятся все более зрелыми, но пока не получили широкого распространения.

Данн сказал, что часть внимания к внутренним источникам и переработке графитсодержащих продуктов, таких как литий-ионные аккумуляторы, основана на потенциальной нестабильности текущей цепочки поставок и прогнозируемом росте спроса.

"Вы можете извлечь некоторое количество графита из вторичной переработки литий-ионных батарей, но срок службы батарей небольшой, поэтому может пройти десятилетие, прежде чем вы сможете вернуть графит из электромобилей, срок службы которых подходит к концу", - сказал Данн. "Однако мы также развиваем биоэкономику в США, и это может включать в себя производство графита из биомассы. Это открывает еще один вариант поставок, помимо получения графита из побочных продуктов промышленности ископаемого топлива или добычи полезных ископаемых".

С принятием Закона о снижении инфляции от 2022 года больше финансирования будет направлено на использование отечественного и переработанного графита, и Данн сказал, что США должны быть готовы к такому переходу.

Исследование "Потоки графита в США: понимание ключевого компонента энергетического перехода" было поддержано Программой будущего производства Национального научного фонда (NSF CMMI-2037026).