Οι εταιρείες αναζητούν πιο πράσινες προμήθειες γραφίτη για μπαταρίες ηλεκτροκίνησης

Παρά τις πιθανές ανωμαλίες που προκαλούνται από παραπαίουσες οικονομίες και ελλείψεις εξαρτημάτων, είναι πιθανό να πωληθούν φέτος περισσότερα από 13 εκατομμύρια πλήρως ηλεκτρικά ή υβριδικά επιβατικά αυτοκίνητα, σύμφωνα με το Bloomberg. Αυτό θα αυξήσει τον αριθμό των ηλεκτρικών οχημάτων που κυκλοφορούν παγκοσμίως από 27 εκατομμύρια σε περισσότερα από 40 εκατομμύρια. Αλλά αυτό εξακολουθεί να είναι μόνο περίπου το 3% του στόλου οχημάτων του πλανήτη. Με ακόμη 97% να υπολείπεται, η μαζική ηλεκτροδότηση των μεταφορών σημαίνει ότι θα υπάρχει τεράστια ζήτηση για μπαταρίες και τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται.

Οι αυτοκινητοβιομηχανίες ανησυχούν ήδη για τη σπειροειδή άνοδο τιμών και τις περιορισμένες προσφορές λιθίου, το κρίσιμο συστατικό των μπαταριών ιόντων λιθίου στο επίκεντρο αυτής της επανάστασης. Ανησυχούν επίσης για το κοβάλτιο και άλλα συστατικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή καθόδων, τα θετικά ηλεκτρόδια μέσα σε αυτές τις μπαταρίες (αν και οι πρόσφατες ανακαλύψεις νέων αποθεμάτων έχουν αμβλύνει αυτές τις ανησυχίες καθώς σχετίζονται ειδικότερα με το κοβάλτιο). Ωστόσο, το ταγκό απαιτεί δύο χορευτές. Για κάθε κάθοδο, η μπαταρία χρειάζεται μια άνοδο, ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο. Οι άνοδοι κατασκευάζονται από γραφίτη και διαφαίνεται αναβρασμός  στην αγορά αυτού του υλικού.

Ο γραφίτης είναι μορφή άνθρακα στην οποία τα άτομα είναι διατεταγμένα σε φύλλα. Μεταξύ άλλων, είναι το υλικό που χρησιμοποιείται στα μολύβια. Αυτή η χρήση δεν είναι βέβαια η υψηλότερη από τις τεχνολογικές εφαρμογές. Ως εκ τούτου, οι άνοδοι θεωρούνται λίγο βαρετές σε σύγκριση με τις καθόδους, με άφθονη παροχή πρώτης ύλης από την οποία μπορούν να κατασκευαστούν. Ωστόσο, λόγω των αυξανόμενων πωλήσεων ηλεκτρικών αυτοκινήτων, η ζήτηση για γραφίτη πρόκειται να τριπλασιαστεί από 1,2 εκατομμύρια τόνους το 2022 σε περισσότερους από 4 εκατομμύρια τόνους ετησίως έως το 2030, σύμφωνα με την εταιρεία αναλυτών στο Λονδίνο Benchmark Mineral Intelligence. Αυτή τη στιγμή, η προσφορά αυξάνεται μόνο κατά δύο τρίτα περίπου αυτού του ρυθμού. Έτσι, μπορεί να μην υπάρχει αρκετός γραφίτης για να επαρκέσει, ειδικά καθώς αυτό το υλικό έχει και άλλους μεγάλους χρήστες, όπως η βιομηχανία χάλυβα.

Ο γραφίτης που χρησιμοποιείται στις μπαταρίες διατίθεται σε δύο μορφές, και οι δύο έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Μια είναι η φυσική μορφή, όπως εξορύσσεται από το έδαφος — αν και τα ορυχεία που παράγουν τις καλύτερες ποιότητες είναι λίγα. Το άλλο είναι συνθετικό, προέρχεται από το βελονοειδή οπτάνθρακα, ενός υποπροϊόντος που δημιουργείται σε ορισμένες μονάδες επεξεργασίας άνθρακα και πετροχημικών. Αυτό το ψήσιμο είναι ενεργοβόρα διαδικασία που οδηγεί σε υψηλά επίπεδα εκπομπών. Προς το παρόν, ο περισσότερος γραφίτης για ανόδους κατασκευάζεται με αυτόν τον τρόπο, αλλά οι αυτοκινητοβιομηχανίες που ανησυχούν για τα πράσινα διαπιστευτήριά τους αναμένεται, όλο και περισσότερο, να αναζητούν την πιο καθαρή, ποικιλία ορυκτών, λέει ο Άντριου Μίλερ της Benchmark.

Σκάβοντας βαθύτερα

Όποια και αν είναι η προέλευσή του, ο γραφίτης πρέπει να καθαριστεί σε επίπεδο 99,95% ή παραπάνω—γιατί η παραμικρή ακαθαρσία παρεμποδίζει τη ροή ιόντων λιθίου από και προς αυτόν. Όταν μια μπαταρία φορτίζεται, αυτά τα ιόντα δημιουργούνται στην κάθοδο αφαιρώντας ηλεκτρόνια από άτομα λιθίου. Τα ηλεκτρόνια στέλνονται προς την άνοδο μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος και τα ιόντα αποστέλλονται ομοίως προς αυτή την κατεύθυνση μέσω ενός ηλεκτρολύτη μέσα στην μπαταρία. Όταν φτάσουν στην άνοδο, αυτά τα ιόντα ενώνονται με ηλεκτρόνια που παρέχονται από το εξωτερικό κύκλωμα και έτσι τα άτομα λιθίου επανασχηματίζονται. Αυτά στη συνέχεια απομακρύνονται στα ατομικά στρώματα του γραφίτη μέχρι τη στιγμή που η μπαταρία καλείται να παράσχει ισχύ. Στη συνέχεια, η διαδικασία αντιστρέφεται, αλλά με τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα να τροφοδοτούν συσκευή, όπως ο ηλεκτροκινητήρας των ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Μέχρι στιγμής, ο γραφίτης παραμένει το καλύτερο διαθέσιμο υλικό για ανόδους. Αλλά ο καθαρισμός του είναι βρώμικη δουλειά. Συμβατικά, πολύ διαβρωτικά χημικά, όπως το υδροφθορικό οξύ, χρησιμοποιούνται για τη διάλυση ακαθαρσιών. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της επεξεργασίας γίνεται στην Κίνα. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες ήταν αρκετά νευρικές σχετικά με το έλεγχο της Κίνας  πάνω στο 60% περίπου του λιθίου στον κόσμο. Αλλά, όταν πρόκειται για γραφίτη, η Κίνα κατέχει περισσότερο από το 90% της εφοδιαστικής αλυσίδας.

Όλα αυτά οδήγησαν ορισμένες εταιρείες να αρχίσουν να επιδιώκουν τη διαφοροποίηση των προμηθειών τους ανοίγοντας ορυχεία γραφίτη και εργοστάσια επεξεργασίας αλλού, ιδιαίτερα στην Αμερική και την Ευρώπη. Καθώς αυτές οι εργασίες γίνονται συχνά σε μέρη που επιβάλλουν σκληρούς περιβαλλοντικούς περιορισμούς στη βιομηχανία, απαιτούνται καθαρότερες μέθοδοι. Αν και οι εταιρείες είναι επιφυλακτικές σχετικά με την αποκάλυψη εμπορικών μυστικών, οι προσεγγίσεις που επινοούν θα βοηθήσουν στην εκκαθάριση του κλάδου.

Μαύρος χρυσός

Ένα από τα πρώτα εργοστάσια ανόδου μπαταριών στην Ευρώπη, στη Lulea, στη βόρεια Σουηδία, έχει ήδη αρχίσει να προμηθεύει τις αυτοκινητοβιομηχανίες με δείγματα παραγωγής. Αυτό το εργοστάσιο, που ανήκει στην Talga, εταιρεία στο Περθ της Αυστραλίας, τροφοδοτείται από ορυχείο γραφίτη που έχει αναπτύξει η εταιρεία κοντά στο Vittangi, 300 χιλιόμετρα ακόμα πιο βόρεια. Το ορυχείο Vittangi παράγει από τα υψηλότερης ποιότητας γραφίτη στον κόσμο, που σημαίνει ότι παράγονται λιγότερα απόβλητα. Ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος μπορεί επομένως να παραμείνει μικρός, λέει ο Μαρκ Τόμσον, το αφεντικό της Talga.

Το εργοστάσιο στη Lulea χρησιμοποιεί διαδικασία που ονομάζεται αλκάλιο ψήσιμο σε χαμηλή θερμοκρασία για να απελευθερώσει ακαθαρσίες από την κρυσταλλική δομή του γραφίτη. Αυτά στη συνέχεια ξεπλένονται με οξέα πιο ήπια από το υδροφθορικό. Ο κ. Thompson λέει ότι αυτό παράγει λιγότερα απόβλητα από τις συμβατικές προσεγγίσεις, ή αποφέρει μπόνους σε πράσινους πόντους, καθώς το εργοστάσιο τροφοδοτείται από την εκτεταμένη παροχή υδροηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές της Σουηδίας. Η εταιρεία επισημαίνει μια ανεξάρτητη ανάλυση που διαπιστώνει ότι ο συνδυασμός παράγει 96% λιγότερες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου από την παραγωγή συνθετικού γραφίτη. Ωστόσο, η Talga μελετά πατενταρισμένες διαδικασίες για να κάνει την παραγωγή ακόμα πιο πράσινη.

Όπως συνηθίζεται στη βιομηχανία, όταν ο γραφίτης καθαριστεί, μετατρέπεται σε μικροσκοπικές σφαίρες που σχηματίζουν λεπτή μαύρη σκόνη, πριν αποσταλεί στους κατασκευαστές μπαταριών. Το σχήμα τους επιτρέπει σε αυτά τα σωματίδια να συσκευάζονται αποτελεσματικά στην άνοδο, αυξάνοντας την επαφή μεταξύ τους και επομένως τη συνολική αγωγιμότητα. Η ίδια η παραγωγή ανόδων γίνεται μετατρέποντας τον γραφίτη σε πολτό και στη συνέχεια επικαλύπτοντάς τον σε λωρίδες μεμβράνης χαλκού.

Η Talga ελπίζει ότι η επιχείρηση της στη Σουηδία θα παράγει περισσότερους από 100.000 τόνους ανοδικού γραφίτη ετησίως. Ανάλογα με το μέγεθος και τα χαρακτηριστικά απόδοσης ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος, η μπαταρία του θα μπορούσε να περιέχει περίπου 70-90 κιλά γραφίτη. Επομένως, η ετήσια παραγωγή της εταιρείας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία άνω του 1 εκατομμυρίου νέων οχημάτων.

Στην άλλη άκρη του κόσμου, ο Άντονι Χιούστον, ιδρυτής της Graphite One, μιας εταιρείας στο Βανκούβερ του Καναδά, δοκιμάζει κάτι παρόμοιο. Η εταιρεία του εκτελεί εξερευνητική εξόρυξη στο Graphite Creek, κοντά στο Nome, στη δυτική Αλάσκα. Εκτιμάται ότι περιέχει περισσότερους από 8 εκατομμύρια τόνους υλικού, το μεγαλύτερο κοίτασμα στις Ηνωμένες Πολιτείες—μια χώρα που, από τη δεκαετία του 1950, εισάγει όλο τον γραφίτη της.

Η ιδέα, λέει ο κ. Χιούστον, είναι να αποσταλεί ο γραφίτης νότια σε μονάδα επεξεργασίας που θα κατασκευαστεί σε τοποθεσία που δεν έχει ακόμη καθοριστεί στην πολιτεία της Ουάσιγκτον. Εδώ θα καθαριζόταν και θα επεξεργαζόταν, χρησιμοποιώντας επίσης ανανεώσιμη ενέργεια. Η Graphite One συνεργάζεται με την κινεζική εταιρεία υλικών ανόδου Sunrise New Energy, στο Zibo, στην επαρχία Shandong, σε σύστημα καθαρισμού που θα θερμαίνει ήπια τον γραφίτη παρουσία ανακυκλώσιμων καθαριστικών αερίων.

Ο Νίκο Κουέβας, επικεφαλής της εταιρείας Urbix, αναζητά εντελώς διαφορετικό τρόπο επεξεργασίας γραφίτη. Η Urbix έχει κατασκευάσει εργοστάσιο επίδειξης στη βάση της στη Mesa της Αριζόνα. Αυτό που είναι κατανοητό είναι ότι χρησιμοποιεί θερμότητα και μηχανικά μέσα για να διεγείρει τις νιφάδες γραφίτη με τέτοιο τρόπο ώστε τα στρώματα άνθρακα μέσα να ανοίγουν, επιτρέποντας στις ακαθαρσίες να ξεπλένονται με λιγότερο επιβλαβείς χημικές ουσίες.

Η μέθοδος Urbix είναι διαδικασία χαμηλής ενέργειας αρκετά καθαρή ώστε να μπορεί να εκτελεστεί σε περιοχή που έχει ζωνοποιηθεί για ελαφρά βιομηχανική χρήση, λέει ο κ. Κουέβας. Η εταιρεία θα χρησιμοποιεί γραφίτη από πιθανές πηγές εντός της Βόρειας Αμερικής και έχει υπογράψει κοινή συμφωνία ανάπτυξης με τη SK On, γίγαντα μπαταριών της Νότιας Κορέας. Η SK On έχει ήδη δύο γιγαντιαία εργοστάσια μπαταριών στην Αμερική και έχει δημιουργήσει κοινοπραξία με τη Ford για την κατασκευή τριών άλλων.

Οι ερευνητές αναπτύσσουν ανόδους που χρησιμοποιούν άλλα υλικά. Οι άνοδοι πυριτίου και λιθίου είναι θεωρητικά πιο αποτελεσματικές στην αποθήκευση ενέργειας, αλλά και τα δύο παρουσιάζουν προβλήματα. Το πυρίτιο, ειδικότερα, διογκώνεται και συστέλλεται με τη φόρτιση και την αποφόρτιση, γεγονός που θα μπορούσε να βλάψει την μπαταρία. Ωστόσο, μικρές δόσεις τέτοιου υλικού μπορούν να αναμειχθούν με γραφίτη για να ενισχύσουν την απόδοσή του. Η Urbix λέει ότι η διαδικασία της επιτρέπει την ενσωμάτωση τέτοιων ουσιών στον πυρήνα των σφαιριδίων γραφίτη.

Μια άλλη δυνατότητα είναι η χρήση διαφορετικού τύπου άνθρακα. Η φινλανδική εταιρεία δασικών προϊόντων Stora Enso πιστεύει ότι μπορεί να παράγει υλικό ανόδου από λιγνίνη. Αυτό είναι φυσικό πολυμερές που δίνει στο ξύλο την ακαμψία του, αλλά αντιμετωπίζεται ως απόβλητο όταν το ξύλο μετατρέπεται σε χαρτί. Κανονικά, καίγεται για να παράγει θερμότητα. Η Stora Enso σχεδιάζει να το εξευγενίσει σε σκόνη άνθρακα.

Η Stora Enso δεν θα υπεισέλθει σε λεπτομέρειες σχετικά με το πώς το κάνει αυτό, εκτός από το να πει ότι η διαδικασία τους περιλαμβάνει αρκετές θερμικές και μηχανικές επεξεργασίες που πραγματοποιούνται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από αυτές που χρησιμοποιούνται συμβατικά για την παραγωγή συνθετικού γραφίτη. Η σουηδική εταιρεία παραγωγής μπαταριών Northvolt εξετάζει τη χρήση του υλικού της εταιρείας.

Οι εναλλακτικές λύσεις αντί του γραφίτη, αναμφίβολα, θα συνεχίσουν να προοδεύουν. Όμως, με τόσο τεράστιες επενδύσεις σε  τεράστια εργοστάσια -σχεδόν 300 δισεκατομμύρια δολάρια τα τελευταία τέσσερα χρόνια, σύμφωνα με την Benchmark, και τα περισσότερα από αυτά βασίζονται στην εξοικείωση με το υπάρχον υλικό- ο γραφίτης μοιάζει να κρατιέται στα τωρινά επίπεδα για αρκετό καιρό ακόμα. Με νέα ορυχεία χαμηλού αποτυπώματος και καθαρότερες διαδικασίες, η σκοτεινή πλευρά του ηλεκτρικού αυτοκινήτου θα γίνει σύντομα λίγο πιο πράσινη.