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Dada a crescente importância do grafite nas tecnologias de armazenamento de energia, uma equipe de pesquisadores da Northwestern conduziu um estudo explorando maneiras de reduzir a dependência das importações do mineral de alta demanda, que alimenta tudo, desde veículos elétricos (EVs) até telefones celulares.
O artigo, publicado esta semana na revista Ciência e Tecnologia Ambientalé a primeira análise de fluxo de material de grafite natural e sintético para os EUA e considera 11 aplicações de uso final para grafite, dois estágios de gerenciamento de resíduos e três vias de reciclagem.
“Se quisermos produzir mais baterias domesticamente, precisaremos aumentar nossa produção de grafite”, disse a engenheira química da Northwestern University, Jennifer Dunn. “Mas a questão é: como podemos fazer isso de forma a contribuir para as metas de descarbonização?”
Dunn é professor associado de engenharia química e biológica na Northwestern’s McCormick School of Engineering e diretor do Center for Engineering Sustainability and Resilience. O artigo foi co-escrito por Jinrui Zhang, que na época do início do estudo era um pós-doutorando em engenharia química e biológica, e Chao Liang, anteriormente membro do Instituto de Sustentabilidade e Energia (ISEN) da Northwestern. Ambos os coautores são ex-alunos do grupo de pesquisa de Dunn.
Os EUA usam principalmente grafite sintético, que é produzido a partir de subprodutos da indústria de combustíveis fósseis e cria uma relação paradoxal entre grafite e tecnologias como veículos elétricos (EVs) que visam remover as cadeias de abastecimento de combustíveis fósseis do transporte e reduzir as emissões de gases de efeito estufa.
Grafite natural, alternativamente, é proveniente de minas e importado para os EUA principalmente da China. Quase todo o grafite usado nos EUA vai para eletrodos para a fabricação de aço. À medida que a cadeia de fornecimento de baterias nos EUA aumenta, medidas como a Lei de Redução da Inflação buscam incentivar o uso de materiais de origem doméstica – incluindo grafite – em baterias fabricadas nos EUA.
Dada a crescente importância do grafite em tecnologias de armazenamento de energia como as baterias de íons de lítio, a equipe realizou esta análise para caracterizar as principais rotas de produção do mineral, seus principais usos e oportunidades de redução de consumo por meio da reciclagem. Dados de 2018 – o período mais recente com dados suficientes para esse tipo de análise – foram usados para o estudo.
A maior parte do grafite consumido nos EUA em 2018 foi grafite sintético, com 63% desse grafite produzido internamente. A produção de grafite sintético emite mais gases de efeito estufa do que a mineração de grafite natural (o grafite natural tem entre 62% e 89% menos emissões de gases de efeito estufa). O grafite sintético também é mais caro. No entanto, os EUA não extraem grafite natural, mas o importam, principalmente da China.
Como o único material que conduz eletricidade além do metal, o principal uso do grafite é para eletrodos na fabricação de aço. À medida que a demanda por aço de baixo carbono aumenta, mais grafite pode ser consumido na produção de eletrodos. Durante a fabricação do aço, o grafite queima e se dissipa – da mesma forma que os lápis de grafite começam a desaparecer conforme você escreve com eles. Embora não seja impossível recuperar o grafite dissipado, raramente o é, diminuindo as oportunidades de recuperação do mineral por meio da reciclagem. As tecnologias para recuperar grafite de baterias de íon-lítio estão crescendo em maturidade, mas ainda não são comuns.
Dunn disse que parte do foco em fontes domésticas e reciclagem de produtos contendo grafite, como baterias de íon-lítio, é baseado na instabilidade potencial da cadeia de suprimentos atual e na demanda crescente projetada.
“Você pode recuperar um pouco de grafite reciclando baterias de íon-lítio, mas as baterias duram um pouco, então pode levar uma década até que você consiga recuperar o grafite de EVs que chegam ao fim de sua vida útil”, disse Dunn. “No entanto, também estamos construindo a bioeconomia nos Estados Unidos, e isso pode incluir a produção de grafite a partir da biomassa. Isso abre outra opção de fornecimento além da produção de grafite a partir de subprodutos da indústria de combustíveis fósseis ou mineração.”
Com a aprovação da Lei de Redução da Inflação de 2022, mais fundos serão direcionados para o uso de grafite reciclado e de origem doméstica, e Dunn disse que os EUA precisam estar prontos para fazer a mudança.
O estudo, “Grafite flui nos EUA: insights sobre um ingrediente-chave da transição energética”, foi apoiado pelo Programa de Manufatura do Futuro da National Science Foundation (NSF CMMI-2037026).
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