V letošním roce se podle agentury Bloomberg prodá více než 13 milionů plně elektrických nebo hybridních osobních automobilů. Na světových silnicích tak bude jezdit přes čtyřicet milionů elektromobilů. Tím se zvýší mimo jiné i poptávka po grafitu, potřebném k výrobě baterií. Devadesát procent jeho světových dodávek nyní ovládá Čína. Ve snaze omezit tuto hegemonii začaly v západním světě vznikat firmy hledající alternativy.
Výrobci automobilů se již nyní obávají rostoucích cen a omezených zásob lithia, které je klíčovou složkou lithium-iontových baterií, jež jsou základem této revoluce. Obávají se také o kobalt a další přísady používané k výrobě katod, kladných elektrod v těchto bateriích (ačkoli nedávné objevy nových zásob tyto obavy zejména v souvislosti s kobaltem zmírnily). K tanci jsou však potřeba dva. Ke každé katodě potřebuje baterie anodu, zápornou elektrodu. Anody se vyrábějí z grafitu a v současné době se připravuje šok v zásobování tímto materiálem.
Grafit je forma uhlíku, v níž jsou atomy uspořádány do listů. Mimo jiné se používá jako „olovo“ v tužkách – což není zrovna špičkové technické využití. Anody jako takové byly ve srovnání s katodami považovány za poněkud nudné, protože světové zásoby grafitu se zdají oproti kobaltu dostatečné. Zatím.
Poptávka po grafitu se do roku 2030 zčtyřnásobí
Podle londýnské analytické společnosti Benchmark Mineral Intelligence se do roku 2030 poptávka po grafitu díky rostoucímu prodeji elektromobilů ztrojnásobí z 1,2 milionu tun v roce 2022 na více než čtyři miliony tun ročně. V současné době roste nabídka asi dvoutřetinovým tempem. Grafit tedy nemusí být k dispozici v dostatečném množství, zejména proto, že tento materiál má další velké uživatele, například ocelářský průmysl.
Grafit používaný v bateriích se vyrábí ve dvou formách, přičemž obě mají své výhody i nevýhody. Jedna je přírodní, vytěžená ze země, ačkoli dolů, které produkují nejlepší kvalitu, je málo. Druhý je syntetický, který pochází z pražení tzv. jehlového koksu. Jedná se však o energeticky náročný proces, který vede k vysokým emisím. V současné době se tímto způsobem vyrábí většina grafitu pro anody, ale očekává se, že výrobci automobilů, kteří se obávají o své ekologické zásluhy, budou stále častěji vyhledávat čistší minerální odrůdy pro splnění stále přísnějších ESG kritérií.
Více do hloubky
Ať už je grafit jakéhokoli původu, musí být vyčištěn na úroveň 99,95 % nebo lepší – sebemenší nečistota totiž narušuje tok iontů lithia do něj a z něj. Při nabíjení baterie se tyto ionty vytvářejí na katodě odebíráním elektronů z atomů lithia. Elektrony jsou posílány směrem k anodě prostřednictvím vnějšího obvodu a ionty jsou podobně posílány tímto směrem prostřednictvím elektrolytu uvnitř baterie. Po dosažení anody se tyto ionty spojí s elektrony dodanými vnějším obvodem a atomy lithia se tak znovu vytvoří. Ty jsou pak uloženy v atomárních vrstvách grafitu až do doby, kdy je baterie vyzvána k dodávce energie. Proces se pak obrátí, ale elektrony z vnějšího obvodu napájejí zařízení, například elektromotor elektromobilu.
Čína ovládá víc než 90 procent dodávek grafitu
Grafit zatím zůstává nejlepším dostupným materiálem pro anody. Jeho čištění je však náročná záležitost. Obvykle se k rozpouštění nečistot používají vysoce korozivní chemikálie, jako je kyselina fluorovodíková. Většina tohoto zpracování se provádí v Číně. Výrobci automobilů jsou již dost nervózní z toho, že tato země ovládá přibližně 60 procent světových zásob lithia. Ale pokud jde o grafit, Čína má pod sebou více než 90 procent dodavatelského řetězce.
To vše vedlo řadu společností k tomu, že se nyní snaží diverzifikovat své dodávky otevřením grafitových dolů a zpracovatelských závodů jinde, zejména v Americe a Evropě. Vzhledem k tomu, že tyto provozy se často nacházejí v místech, kde jsou na průmysl uvalena přísná ekologická omezení, jsou zapotřebí čistší metody. Ačkoli se firmy obávají vyzrazení obchodního tajemství, přístupy, které vyvíjejí, by měly pomoci vyčistit průmysl.
První nečínští výrobci a jejich postupy
Talga
Jeden z prvních evropských závodů na výrobu bateriových anod otevřela Firma Talga v Lulea na severu Švédska. Je zásobován dolem Vittangi, který produkuje grafit nejvyšší kvality na světě, což znamená, že vzniká méně odpadního materiálu. Podle veřejných zdrojů produkuje firma o 96 % méně emisí skleníkových plynů, než vzniká při výrobě syntetického grafitu.
Společnost Talga doufá, že její švédský provoz bude vyrábět více než 100 000 tun anodového grafitu ročně. V závislosti na velikosti a výkonnostních charakteristikách elektromobilu by jeho bateriový blok mohl obsahovat přibližně 70–90 kilogramů grafitu. Roční produkce společnosti by tak mohla být použita pro pohon více než 1 milionu nových vozidel.
Graphite One
Na druhé straně světa se o něco podobného pokouší Anthony Huston, zakladatel firmy Graphite One z kanadského Vancouveru. Jeho firma provádí průzkumnou těžbu v lokalitě s příhodným názvem Graphite Creek poblíž města Nome na západě Aljašky. Odhaduje se, že se zde nachází více než osm milionů tun této suroviny, což je největší ložisko ve Spojených státech – zemi, která od 50. let minulého století veškerý grafit dováží. Cílem je postavit výrobní závod ve Washingtonu.
Urbix
Firma Urbix postavila na své základně v arizonské Mesa demonstrační zařízení, kde by měla pomocí tepla a mechanických prostředků excitovat grafitové vločky takovým způsobem, aby se vrstvy uhlíku uvnitř otevřely a nečistoty mohly být vymyty méně škodlivými chemikáliemi.
Podle odborníků je tato metoda dostatečně čistý proces s nízkou spotřebou energie, aby mohl být prováděn na místě určeném pro lehký průmysl. Firma bude používat grafit z potenciálních zdrojů v Severní Americe a podepsala dohodu o společném vývoji s jihokorejským gigantem v oblasti baterií, společností sk On. sk On již má v Americe dvě gigatovárny na baterie a vytvořila společný podnik s Fordem, který má postavit další tři.
Výzkumníci vyvíjejí anody, které využívají jiné materiály. Křemíkové a lithium-kovové anody jsou teoreticky účinnější při ukládání energie, ale obě mají své problémy. Zejména křemík při nabíjení a vybíjení bobtná a smršťuje se, což by mohlo baterii poškodit. Malé dávky tohoto materiálu však lze přimíchat do grafitu a zvýšit tak jeho výkon. Společnost Urbix uvádí, že její postup umožňuje takové látky zabudovat do jádra grafitových kuliček.
Stora Enso
Další možností je použití jiného typu uhlíku. Stora Enso, finská společnost vyrábějící lesní produkty, předpokládá, že může vyrábět anodový materiál z ligninu. Jedná se o přírodní polymer, který dodává dřevu tuhost, ale při zpracování dřeva na papír se s ním zachází jako s odpadem. Obvykle se spaluje za účelem výroby tepla. Společnost Stora Enso jej plánuje zpracovat na uhlíkový prášek.
Finská firma nechce zabíhat příliš do podrobností, pouze říká, že její proces zahrnuje několik tepelných a mechanických úprav, které probíhají při nižších teplotách, než jaké se běžně používají k výrobě syntetického grafitu. Společnost Northvolt, švédský výrobce baterií, by chtěla materiál této firmy používat.
Alternativy ke grafitu se budou nepochybně dále vyvíjet. Ale vzhledem k tomu, že do gigafactory směřují tak obrovské investice – podle společnosti Benchmark téměř 300 miliard dolarů za poslední čtyři roky – a většina z nich je založena na znalosti stávajícího materiálu, vypadá to, že grafit si ještě nějakou dobu udrží svou pozici. S novými doly s nízkými dopady a čistšími procesy by se temná strana elektromobilu měla brzy stát o něco zelenější.
Autor: Alena Burešová
