L’augmentation de la production nationale de graphite pourrait contribuer à la transition énergétique verte

Compte tenu de l’importance croissante du graphite dans les technologies de stockage d’énergie, une équipe de chercheurs du Nord-Ouest a mené une étude explorant les moyens de réduire la dépendance à l’égard des importations du minéral en forte demande, qui alimente tout, des véhicules électriques (VE) aux téléphones portables.

L’article, publié la semaine dernière (15 février) dans la revue Sciences et technologie de l’environnementest la première analyse de flux de matériaux en graphite naturel et synthétique pour les États-Unis et prend en compte 11 applications d’utilisation finale du graphite, deux étapes de gestion des déchets et trois voies de recyclage.

“Si nous voulons produire plus de batteries au niveau national, nous allons devoir augmenter notre production de graphite”, a déclaré Jennifer Dunn, ingénieure chimiste à la Northwestern University. “Mais la question est de savoir comment pouvons-nous le faire d’une manière qui contribue aux objectifs de décarbonation ?”

Dunn est professeur agrégé de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern et directeur du Center for Engineering Sustainability and Resilience. L’article a été co-écrit par Jinrui Zhang, qui au moment de l’initiation de l’étude était un chercheur post-doctoral en génie chimique et biologique ; et Chao Liang, auparavant membre de l’Institut pour la durabilité et l’énergie (ISEN) de Northwestern. Les deux co-auteurs sont d’anciens élèves du groupe de recherche de Dunn.

Les États-Unis utilisent principalement du graphite synthétique, qui est produit à partir de sous-produits de l’industrie des combustibles fossiles et crée une relation paradoxale entre le graphite et des technologies telles que les véhicules électriques (VE) qui visent à éliminer les chaînes d’approvisionnement en combustibles fossiles des transports et à réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Le graphite naturel, alternativement, provient de mines et est importé aux États-Unis principalement de Chine. Presque tout le graphite utilisé aux États-Unis entre dans la fabrication d’électrodes pour la fabrication d’acier. Alors que la chaîne d’approvisionnement des batteries aux États-Unis s’intensifie, des mesures telles que la loi sur la réduction de l’inflation visent à encourager l’utilisation de matériaux d’origine nationale, y compris le graphite, dans les batteries fabriquées aux États-Unis.

Compte tenu de l’importance croissante du graphite dans les technologies de stockage d’énergie comme les batteries lithium-ion, l’équipe a réalisé cette analyse pour caractériser les grandes voies de production du minéral, ses principales utilisations et les opportunités de réduction de la consommation grâce au recyclage. Les données de 2018 – la période la plus récente avec suffisamment de données pour ce type d’analyse – ont été utilisées pour l’étude.

La majeure partie du graphite consommé aux États-Unis en 2018 était du graphite synthétique, 63 % de ce graphite étant produit dans le pays. La production de graphite synthétique émet plus de gaz à effet de serre que l’extraction de graphite naturel (le graphite naturel a entre 62% et 89% d’émissions de gaz à effet de serre en moins). Le graphite synthétique est également plus cher. Cependant, les États-Unis n’exploitent pas le graphite naturel mais l’importent, principalement de Chine.

En tant que seul matériau conducteur d’électricité en dehors du métal, le graphite est principalement utilisé pour les électrodes dans la fabrication de l’acier. À mesure que la demande d’acier à faible teneur en carbone augmente, davantage de graphite peut être consommé dans la production d’électrodes. Pendant la fabrication de l’acier, le graphite brûle et se dissipe, un peu comme la façon dont les crayons de graphite commencent à disparaître lorsque vous écrivez avec eux. Bien qu’il ne soit pas impossible de récupérer le graphite dissipé, cela l’est rarement, ce qui réduit les possibilités de récupérer le minéral par recyclage. Les technologies de récupération du graphite des batteries lithium-ion gagnent en maturité mais ne sont pas encore courantes.

Dunn a déclaré qu’une partie de l’accent mis sur les sources nationales et le recyclage des produits contenant du graphite comme les batteries lithium-ion est basée sur l’instabilité potentielle de la chaîne d’approvisionnement actuelle et sur la demande croissante prévue.

“Vous pouvez récupérer du graphite en recyclant des batteries lithium-ion, mais les batteries durent un certain temps, il peut donc s’écouler une décennie avant de pouvoir récupérer le graphite des véhicules électriques qui arrivent en fin de vie”, a déclaré Dunn. “Cependant, nous construisons également la bioéconomie aux États-Unis, et cela peut inclure la fabrication de graphite à partir de la biomasse. Cela ouvre une autre option d’approvisionnement au-delà de la fabrication de graphite à partir de sous-produits de l’industrie des combustibles fossiles ou de l’exploitation minière.”

Avec l’adoption de la loi sur la réduction de l’inflation de 2022, davantage de financements seront consacrés à l’utilisation de graphite d’origine nationale et recyclé, et Dunn a déclaré que les États-Unis devaient être prêts à faire le changement.