Ο γραφίτης παίζει κυρίαρχο ρόλο (95%) της ανόδου μιας τυπικής μπαταρίας ιόντων λιθίου που είναι τοποθετημένη σε ένα ηλεκτρικό όχημα (BEV) -απαιτείται περίπου 1 κιλό γραφίτη ανά kWh ενέργειας.
Η Κίνα έχει δεσπόζουσα θέση στην προμήθεια επεξεργασμένου γραφίτη υψηλής ποιότητας που απαιτείται για τις μπαταρίες των αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων, με τις εκτιμήσεις να υποδηλώνουν ότι αντιπροσωπεύει περίπου το 85% της παγκόσμιας προσφοράς.
Όχι μόνο έχει σημαντικά αποθέματα φυσικού γραφίτη, αλλά είναι, σχεδόν, μονοπώλιο στις βιομηχανικές διαδικασίες που απαιτούνται για τη μετατροπή του υλικού από την κατάσταση εξόρυξης («νιφάδα») στον εξαιρετικά καθαρό σφαιρικό γραφίτη που απαιτείται για να σχηματιστεί η άνοδος της μπαταρίας.
Υπάρχει, λοιπόν, μια εναλλακτική λύση στον φυσικό γραφίτη και αυτή είναι ο συνθετικός γραφίτης που κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας πετρέλαιο ως πρώτη ύλη. Στην πραγματικότητα, οι κατασκευαστές κυψελών μπαταρίας προτιμούν τον συνθετικό γραφίτη επειδή η πιο ομοιόμορφη δομή του συμβάλλει στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Φαίνεται ότι έχει ξεπεραστεί ο φυσικός γραφίτης στην τρέχουσα παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου BEV και οι άνοδοι αποτελούνται συχνά από ένα μείγμα φυσικού και συνθετικού γραφίτη.
Είναι, ωστόσο, πιο ακριβό υλικό από τον φυσικό γραφίτη και ακόμη λιγότερο φιλικό προς το περιβάλλον στις μεθόδους προμήθειας και παραγωγής του. Και εδώ, βεβαίως, η Κίνα κυριαρχεί στην παγκόσμια προσφορά συνθετικού γραφίτη…
Μόνο τον τελευταίο καιρό, λόγω της αναμενόμενης αύξησης της ζήτησης γραφίτη στον τομέα των οχημάτων με μπαταρία, εξελίσσονται project ικανά να παρέχουν γραφίτη ποιότητας εκτός Κίνας.
Η Αυστραλία βρίσκεται στο επίκεντρο, αλλά αναπτύσσονται έργα και στον Καναδά, την Αλάσκα, την Αφρική και την Ευρώπη.
Η αυξανόμενη ζήτηση γραφίτη καθιστά αυτά τα έργα βιώσιμα, αλλά αυξάνει επίσης την τιμή, ειδικά όταν παράγεται σε περιοχές όπου τα υποπροϊόντα διύλισης ελέγχονται αυστηρότερα (απ΄ ότι στην Κίνα).
Αυτά τα ζητήματα του κόστους, της απόδοσης της μπαταρίας, τα προβλήματα ESG και η ασφάλεια του εφοδιασμού έχουν οδηγήσει σε μακρά αναζήτηση εναλλακτικών λύσεων αντί του γραφίτη ως υλικό ανόδου.
Ίσως, ο βασικός μοχλός είναι η απόδοση της μπαταρίας, αν και η αυξανόμενη πίεση στη βιομηχανία γραφίτη και η κυριαρχία της από την Κίνα δεν πρέπει να αγνοηθεί.
Ενώ οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν (μέχρι πρόσφατα, τουλάχιστον) μειωμένο κόστος, ο ρυθμός με τον οποίο μπορεί να βελτιωθεί η απόδοσή τους χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες τεχνολογίες έχει επιβραδυνθεί.
Ταυτόχρονα, η βιομηχανία έχει προετοιμαστεί μαζικά για την παραγωγή μπαταριών Liion και όχι οποιουδήποτε άλλου τύπου.
Έχει γίνει πολλή δουλειά για την αλλαγή της χημείας των καθόδων είτε για βελτίωση της απόδοσης (εύρος και χρόνος φόρτισης) είτε για αποφυγή χρήσης αμφιλεγόμενων υλικών (όπως το κοβάλτιο). Υπάρχουν, όμως, περιορισμοί και συμβιβασμοί στο τι μπορεί να επιτευχθεί.
Είναι σαν να αγοράζετε ένα νέο σπίτι. Μπορείτε να έχετε το σωστό οικόπεδο, την ωραία τοποθεσία ή την οικονομικά προσιτή τιμή, αλλά δεν μπορείτε να έχετε και τα τρία ταυτόχρονα.
Οι συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου αντισταθμίζουν, πάντως, την αποθήκευση ενέργειας,
Είναι γνωστό, εδώ και πολύ καιρό, ότι η χρήση πυριτίου ως υλικού ανόδου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ενεργειακή πυκνότητα -πολλά περισσότερα άτομα λιθίου μπορούν να αποθηκευτούν στο πυρίτιο παρά στον γραφίτη.
Στην πραγματικότητα, μέχρι και 10% πυρίτιο αναμειγνύεται με ανόδους γραφίτη, σήμερα, για αυτόν ακριβώς τον σκοπό.
Ωστόσο, το μειονέκτημα των καθαρών ανοδίων πυριτίου ήταν πάντα η τάση του πυριτίου να διαστέλλεται και να συστέλλεται κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης και εκφόρτισης (έως και 300%) που οδηγεί σε πρόωρη αστοχία της κυψέλης.
Το πρόβλημα που έπρεπε να λυθεί, επομένως, ήταν να δημιουργηθεί ένα υλικό με βάση το πυρίτιο που θα προσφέρει τα οφέλη αποθήκευσης ενέργειας του πυριτίου έναντι του γραφίτη, ενώ θα παρέμενε σταθερό σε χιλιάδες κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης.
Αυτό φαίνεται, τώρα, να έχει επιτευχθεί, με εταιρείες όπως η Sila Nanotechnologies (Sila) με έδρα τις ΗΠΑ να πρωτοστατούν.
Μοιάζει με μια σημαντική ανακάλυψη, με την έγκαιρη εφαρμογή στο άκρο του φάσματος των ηλεκτρικών οχημάτων, όπου η βελτιωμένη ενεργειακή πυκνότητα βοηθά στον μετριασμό των ολοένα και πιο βαρέων και ογκωδών μπαταριών.
Όσον αφορά το κόστος έναντι του γραφίτη, αυτό δεν έχει ακόμη αποκαλυφθεί πλήρως, αλλά μπορούμε να υποθέσουμε ότι, δεδομένης της μικροσκοπικής κλίμακας παραγωγής ανόδου πυριτίου καθώς ενισχύεται ο τομέας, μπορεί αρχικά να είναι υψηλότερη από μια κυψέλη γραφίτη.
Αλλά, η πρώτη ύλη είναι άφθονη και φθηνή (το πυρίτιο είναι το δεύτερο σε αφθονία στοιχείο στον φλοιό της γης μετά το οξυγόνο), επομένως το κόστος θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από την κλιμάκωση της διαδικασίας εκβιομηχάνισης.
Τέλος, ένα βασικό σημείο που πρέπει να τονιστεί είναι ότι η αντικατάσταση του γραφίτη με πυρίτιο δεν σημαίνει πως οι κατασκευαστές πρέπει να αναδιαρθρώσουν δραστικά τα εργοστάσια ιόντων λιθίου τους. Δεδομένης της τεράστιας επένδυσης στον τομέα, αυτό είναι καλό.