同道智庫 2024-01-08 16：54 發表於北京.
圖為：德國弗萊貝格石墨實驗室附著在氣泡上的石墨。
據《大眾機械》1月5日報道，隨著越來越多的美國人接受電動汽車，汽車製造商和聯邦政府正在競相購買製造電動汽車電池所需的材料，包括數十億美元的電池。 如今，公司專注於廢舊鋰離子電池中的鎳和鈷等貴金屬。 一些人現在正在仔細研究另一種電池礦物，這種礦物在當今的工藝中被視為廢物。
隨著美國電池製造商建造大型新設施以獲得昂貴的電池金屬，一些人正試圖弄清楚如何製造電池級石墨。 由於技術和經濟障礙，目前在世界任何地方都沒有大規模地這樣做。 這些公司得到了美國能源部的援助，美國能源部目前正在石墨**計畫中投資數千萬美元，該計畫旨在回答基礎研究問題並啟動示範工廠。
美國能源部國家可再生能源實驗室電化學儲能小組負責人馬特·凱澤（Matt Keyser）表示，如果能夠克服阻礙商業石墨**的挑戰，“使用過的石墨流可能會很重要。 除了增加國內，石墨還可以防止關鍵電池資源的浪費，並可以減少與電池生產相關的碳排放。
要理解為什麼石墨很難，需要了解一些材料科學。 石墨是一種礦物形式的碳，具有金屬和非金屬特性，包括高導電性和導熱性以及化學惰性。 這些特性使其可用於各種能源和工業應用，包括在鋰離子電池中儲存能量。 當鋰離子電池充電時，鋰離子從金屬陰極流入石墨陽極，嵌入碳原子的結晶層之間。 這些離子在電池使用時會釋放出來，從而產生電流。
石墨以結晶片狀或塊狀形式存在於自然界中，開採後經過加工，生產陽極製造所需的小球形顆粒。 石墨也是通過將煤或石油生產的副產品加熱到2,500攝氏度（約4,500華氏度）以上的溫度來合成生產的，這是乙個能源密集型（通常是排放密集型）的過程，會觸發碳原子的“石墨化”。
石墨的開採或製造成本相對較低，並且低於電池陰極中的許多金屬，包括鋰、鎳、鈷和錳。 正因為如此，電池製造商傳統上對它沒有太大興趣。 相反，許多電池貿易商來自金屬精煉行業，他們專注於他們已經知道如何做的事情：提取和提純這些陰極金屬，通常是它們的元素形式。 按重量計算，石墨佔電動汽車電池的 30%，被認為是一種副產品，要麼燃燒作為能源，要麼被分離成垃圾填埋場。
Battery Technologies首席執行官Ryan Melsert表示：“直到最近，當人們談論電池時，他們才真正關注象徵性的（金屬）元素，因為它們非常有價值......而且該工藝可能與傳統金屬加工有很多重疊。 ”
為了使石墨有價值，製造商需要獲得高效能的電池級產品。 為此，他們需要將石墨與其他物質分離，去除金屬和膠水等汙染物，並恢復材料的原始幾何形狀，這通常是通過施加高溫來完成的。
火法冶金（一種在熔爐中冶煉電池的傳統工藝）等方法不適用於石墨。 “你很可能會使用火法冶金來燒掉石墨，”凱澤說。
如今，電池行業正在從火法冶金轉向濕法冶金，其中廢電池被切碎並溶解在化學溶液中以提取和提純各種金屬。 Kaiser表示，化學提取方法可用於石墨提純，儘管仍然存在“後勤問題”。 大多數濕法冶金**工藝使用強酸來提取陰極金屬，但這些酸會破壞石墨的晶體結構。 提取後可能需要更長或更密集的熱處理步驟來恢復石墨的形狀，從而增加能源消耗和成本。
第三種方法是直接**，即電池材料被分離和修復以重複使用，而無需任何熔化或酸處理。 這種溫和的過程旨在保持材料結構完好無損。 直接是一種較新的想法，與其他兩種方法相比，它離商業化還很遠，並且在擴大規模方面存在一些挑戰，因為它依賴於非常清潔和高效的材料分離。 但最近的研究表明，對於陰極金屬來說，它可以顯著環保和具有成本效益。 Kaiser表示，與合成石墨相比，直接石墨的生產可能“能源密集度更低”。
系列石墨**工藝。 該公司開發了一種方法，首先將石墨與其他電池材料（如陰極金屬）物理分離，然後進行化學純化步驟。 然後使用額外的機械和熱處理來恢復石墨的原始結構。 Mersett表示，該公司目前正在其位於內華達州里諾的實驗室設施中“小規模”研究石墨。 但展望未來，它計畫在能源部通過 2021 年兩黨基礎設施法資助的近 1000 萬美元的三年贈款的幫助下，將規模擴大到每天幾噸富含石墨的材料。
總部位於麻薩諸塞州的電池初創公司Ascend Elements也開發了一種石墨提純化學。 Ascend Elements副總裁Rogerlin表示，該工藝被稱為“水到陽極”，它“來自我們在水到陰極方面所做的一些工作”，這是該公司獲得專利的陰極材料濕法冶金工藝。 Ascend Elements 能夠將初始破碎步驟中受汙染的石墨純度恢復到 999%，超過了電動汽車行業的要求，同時保留了高效能陽極所需的材料效能。 去年10月，昇騰元素和Koura Global宣布計畫在美國建造第乙個“先進石墨**設施”
與此同時，美國能源部支援的初創公司普林斯頓Nuenergy正在探索直接石墨**。 去年，普林斯頓NuEnergy在美國德克薩斯州麥金尼開設了第一家試點直接**工廠。 在那裡，電池被切碎後，使用一系列物理分離過程對不同的材料進行分類，包括正極和負極材料。 然後將陰極材料放入低溫反應器中以去除汙染物，然後採取其他步驟重建其原始結構。 創始人兼首席執行官Chaoyan表示，同樣的通用方法可用於處理負極材料。
從第一天起，我們就一直在考慮陰極和陽極材料，“Yan說。 但到目前為止，該公司一直專注於陰極直接**的商業化。 閆總說，原因很簡單：“過去，沒有客戶關心負極材料。 ”
然而，這種情況正在開始改變。 在過去的一年裡，汽車製造商和電池製造商對石墨表現出了更大的興趣**，Chaoyan說。 Mercert還表示，他開始對再生石墨產生“非常濃厚的興趣”。
儘管如此，客戶仍需等待一段時間才能購買用於電池的石墨。 美國能源部車輛技術辦公室電池研發專案經理布萊恩·坎寧安（Brian Cunningham）表示，淨化和修復石墨的方法仍需改進以降低成本。 另乙個限制步驟是坎寧安所說的“材料識別步驟”。
“我們需要將石墨提高到公司可以向電池公司提供材料樣品以評估材料的水平，”坎寧安說。 “從非常小規模的生產轉向允許電動汽車製造商測試其產品的水平的過程可能需要數年時間才能完成。
*鏈條問題可能會加速石墨的商業化**。 今年夏天，美國能源部將天然石墨列入其關鍵能源材料清單。 石墨被列入美國地質調查局的關鍵礦物清單，這些礦物是先進技術所必需的，但有中斷的風險。
這種分類意味著國內採購的石墨可以幫助電動汽車獲得清潔汽車信貸的資格，這是一項稅收抵免，其中包括 2022 年《通脹削減法案》對關鍵礦物採購的嚴格要求。 為了有資格獲得全額抵免，電動汽車製造商必須從美國或免費**合作夥伴處獲得大部分電池礦物。 到2024年，其車輛不得包含任何由“外國關注實體”開採或加工的關鍵礦物。 根據分析，這一要求可能會“推高”石墨的溢價。
諮詢公司Benchmark Mineral Intelligence的石墨分析師Yuan Gu表示，稅收優惠可能是幫助再生石墨與原生石墨競爭的關鍵。 袁谷預計，由於目前市場上石墨“**過剩”，石墨在不久的將來仍將保持相對便宜。 顧說，雖然石墨在西方國家“肯定對確保未來感興趣”，但其可行性將取決於“材料的成本或廉價性”。
隨著清潔能源轉型的加速，石墨需求正在快速增長，同時使整個電動汽車電池鏈**更具可持續性。 如果石墨真的流行起來，業內人士希望它能夠滿足未來石墨需求的很大一部分。