Empresas buscam suprimentos mais ecológicos de grafite para baterias de veículos elétricos | Noticias do mundo

As montadoras já se preocupam com os preços em alta e os suprimentos limitados de lítio, o ingrediente crucial das baterias de íon-lítio no centro dessa revolução. Eles também se preocupam com o cobalto e outros ingredientes usados ​​para fazer cátodos, os eletrodos positivos dentro dessas baterias (embora descobertas recentes de novas reservas tenham amorteceu essas preocupações como eles se relacionam com o cobalto em particular). No entanto, são necessários dois para dançar o tango. Para cada cátodo, uma bateria precisa de um ânodo, um eletrodo negativo. Os ânodos são feitos de grafite e um choque de suprimento para esse material está se formando.

O grafite é uma forma de carbono na qual os átomos estão dispostos em folhas. Entre outras coisas, é o material usado como “grafite” nos lápis – dificilmente a mais alta das aplicações tecnológicas. Como tal, os ânodos têm sido vistos como um pouco enfadonhos em comparação com os cátodos, com um suprimento abundante de matéria-prima a partir da qual podem ser feitos. Mas, impulsionada pelo crescimento das vendas de veículos elétricos, a demanda por grafite deve triplicar de 1,2 milhão de toneladas em 2022 para mais de 4 milhões de toneladas por ano até 2030, de acordo com a Benchmark Mineral Intelligence, uma empresa de analistas de Londres. No momento, a oferta está crescendo apenas cerca de dois terços dessa taxa. Portanto, pode não haver grafite suficiente para circular, especialmente porque esse material tem outros grandes usuários, como a indústria siderúrgica.

O grafite usado em baterias vem em duas formas, ambas com prós e contras. Uma é natural, escavada no solo – embora as minas que produzem as melhores notas sejam poucas e distantes entre si. O outro é sintético, proveniente da torrefação do chamado coque de agulha, um subproduto criado em algumas usinas petroquímicas e de processamento de carvão. Essa torrefação é um processo intensivo em energia que resulta em altos níveis de emissões. No momento, a maior parte do grafite para ânodos é feita dessa maneira, mas espera-se que as montadoras preocupadas com suas credenciais verdes, cada vez mais, busquem a variedade mineral mais limpa, diz Andrew Miller, da Benchmark.

Indo mais fundo

Qualquer que seja sua proveniência, o grafite deve ser purificado a um nível de 99,95% ou mais – pois a menor impureza interfere no fluxo de entrada e saída de íons de lítio. Quando uma bateria está sendo carregada, esses íons são criados no cátodo pela remoção de elétrons dos átomos de lítio. Os elétrons são enviados para o ânodo por meio de um circuito externo, e os íons também são enviados nessa direção por meio de um eletrólito dentro da bateria. Ao chegarem ao ânodo, esses íons se unem aos elétrons fornecidos pelo circuito externo e os átomos de lítio são assim reconstituídos. Esses são então guardados nas camadas atômicas do grafite até o momento em que a bateria é chamada para fornecer energia. O processo então se inverte, mas com os elétrons no circuito externo alimentando um dispositivo, como o motor elétrico de um EV.

Até agora, o grafite continua sendo o melhor material disponível para ânodos. Mas purificá-lo é um negócio complicado. Convencionalmente, produtos químicos altamente corrosivos, como ácido fluorídrico, são usados ​​para dissolver impurezas. A maior parte desse processamento é feito na China. As montadoras estão bastante nervosas com o controle desse país sobre cerca de 60% do lítio mundial. Mas, quando se trata de grafite, a China comanda mais de 90% da cadeia de suprimentos.

Todas essas coisas levaram várias empresas a começar a procurar diversificar seus suprimentos abrindo minas de grafite e fábricas de processamento em outros lugares, principalmente na América e na Europa. Como essas operações geralmente ocorrem em locais que impõem rígidas restrições ambientais à indústria, são necessários métodos mais limpos. Embora as empresas tenham receio de divulgar segredos comerciais, as abordagens que estão desenvolvendo devem ajudar a limpar o setor.

Ouro Preto

Uma das primeiras fábricas de ânodos de bateria da Europa, em Lulea, norte da Suécia, já começou a fornecer amostras de produção às montadoras. Esta fábrica, de propriedade da Talga, uma empresa em Perth, na Austrália, é alimentada por uma mina de grafite que a empresa desenvolveu perto de Vittangi, 300 km ainda mais ao norte. A mina de Vittangi produz alguns dos grafites de maior qualidade do mundo, o que significa que menos resíduos são gerados. O impacto ambiental pode, portanto, ser mantido pequeno, diz Mark Thompson, chefe da Talga.

A fábrica de Lulea usa um processo chamado torrefação alcalina de baixa temperatura para liberar as impurezas da estrutura cristalina do grafite. Estes são então lavados com ácidos mais suaves do que o fluorídrico. O Sr. Thompson diz que isso produz menos resíduos do que as abordagens convencionais. Para bônus de pontos verdes, a fábrica é alimentada pelo amplo suprimento de hidroeletricidade renovável da Suécia. A empresa aponta para uma análise independente que conclui que a combinação produz 96% menos emissões de gases de efeito estufa do que a produção de grafite sintético. No entanto, Talga está trabalhando em processos proprietários para tornar a produção ainda mais ecológica.

Como é de praxe na indústria, depois de purificado, o grafite é transformado em minúsculas esferas que formam um fino pó preto, antes de ser enviado para fabricantes de baterias. Sua forma permite que essas partículas sejam compactadas de forma eficiente em um ânodo, aumentando o contato entre elas e, portanto, a condutividade geral. A própria fabricação do ânodo é feita transformando o grafite em uma pasta e, em seguida, revestindo-o em tiras de filme de cobre.

A Talga espera que sua operação sueca produza mais de 100.000 toneladas de grafite anódico por ano. Dependendo do tamanho e das características de desempenho de um EV, sua bateria pode conter cerca de 70 a 90 kg de grafite. A produção anual da empresa poderia, portanto, ser usada para abastecer mais de 1 milhão de novos veículos.

Do outro lado do mundo, Anthony Huston, fundador da Graphite One, empresa de Vancouver, no Canadá, está tentando algo semelhante. Sua empresa está realizando mineração exploratória no Graphite Creek, apropriadamente chamado, perto de Nome, no oeste do Alasca (amostras das quais são mostradas na foto da página anterior). Estima-se que contenha mais de 8 milhões de toneladas do material, o maior depósito dos Estados Unidos – um país que, desde a década de 1950, importa todo o seu grafite.

A ideia, diz Huston, é enviar o grafite para o sul, para uma usina de processamento que seria construída em um local ainda a ser determinado no estado de Washington. Aqui seria purificado e processado, também usando energia renovável. A Graphite One está trabalhando com a Sunrise New Energy, uma empresa chinesa de materiais anódicos em Zibo, província de Shandong, em um sistema de purificação que aqueceria suavemente o grafite na presença de gases de limpeza recicláveis.

Nico Cuevas, chefe de uma empresa chamada Urbix, está procurando uma maneira totalmente diferente de processar grafite. A Urbix construiu uma planta de demonstração em sua base em Mesa, Arizona. Entende-se que isso usa calor e meios mecânicos para excitar flocos de grafite de tal forma que as camadas de carbono se abram, permitindo que as impurezas sejam lavadas com produtos químicos menos nocivos.

O método Urbix é um processo de baixa energia suficientemente limpo para ser realizado em um local destinado a uso industrial leve, diz o Sr. Cuevas. A empresa usará grafite de fontes potenciais na América do Norte e assinou um acordo de desenvolvimento conjunto com a SK On, uma gigante sul-coreana de baterias. A SK On já possui duas gigafábricas de baterias na América e formou uma joint venture com a Ford para construir mais três.

Os pesquisadores estão desenvolvendo ânodos que usam outros materiais. Ânodos metálicos de silício e lítio são teoricamente mais eficientes no armazenamento de energia, mas ambos apresentam problemas. O silício, em particular, incha e contrai com o carregamento e o descarregamento, o que pode danificar a bateria. No entanto, pequenas doses desse material podem ser misturadas ao grafite para aumentar seu desempenho. A Urbix diz que seu processo permite que tais substâncias sejam incorporadas no núcleo de suas esferas de grafite.

Outra possibilidade é usar um tipo diferente de carbono. A Stora Enso, uma empresa finlandesa de produtos florestais, acredita que pode produzir material anódico a partir da lignina. Este é um polímero natural que dá rigidez à madeira, mas é tratado como um resíduo quando a madeira é transformada em papel. Normalmente, é queimado para gerar calor. A Stora Enso planeja refiná-lo em pó de carbono.

A Stora Enso não entrará em detalhes sobre como eles fazem isso, apenas para dizer que seu processo envolve vários tratamentos térmicos e mecânicos que ocorrem em temperaturas mais baixas do que as convencionalmente empregadas para produzir grafite sintético. A Northvolt, uma fabricante sueca de baterias, está pensando em usar o material da empresa.

As alternativas ao grafite irão, sem dúvida, continuar a progredir. Mas com um investimento tão grande em gigafábricas – quase US$ 300 bilhões nos últimos quatro anos, de acordo com a Benchmark, e a maior parte disso com base na familiaridade com o material existente – o grafite parece se manter por muito tempo. Com novas minas de baixo impacto e processos mais limpos, o lado negro do carro elétrico deve se tornar um pouco mais verde em breve.

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