Material des Monats: Graphit

Material des Monats: Graphit

Graphit: Bald das neue schwarze Gold?

 

 

Graphit ist eine weiche, kristalline Form von Kohlenstoff und kommt in metamorphen Gesteinen wie Marmor, Schiefer und Gneis vor. Derzeit ist Graphit das Anodenmaterial der Wahl in Batterien. Natürlichem Ursprungs kommt es in drei verschiedenen Variationen vor: amorpher Graphit, Flocken- oder kristalliner Graphit und Venen- oder Klumpengraphit. Graphit kann aber auch synthetisch hergestellt werden. Das für Batterien geeignete Graphit kann derzeit nur aus Flocken, Venen- und synthetischem Graphit hergestellt werden, und die erforderliche Reinheit für Batterieanwendungen beträgt mindestens 99,9%. In China wird ein relativ kostengünstiges Verfahren angewendet, das aber für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit der Arbeiter katastrophal ist. Die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen könnte diese schmutzige Produktionsweise jedoch aufgrund fehlender Alternativen verlängern.

 

Bergbau und Produktion

Derzeit ist China der größte Produzent von (natürlichem) Graphit. Der Anteil an Batterieanodenmaterial (als sphärischer Graphit SPG bezeichnet) macht nur eine sehr geringe Menge aus, wird jedoch in den kommenden Jahren aufgrund des erhöhten Bedarfs an Energiespeichern in mehreren Branchen voraussichtlich steigen.

China versucht, den Graphitabbau stärker in den Griff zu bekommen, indem es kleinere Unternehmen dazu zwingt, sich zusammenzuschließen und geeignete und umweltfreundliche Betriebe zu übernehmen. Die Bergbauindustrie für amorphen Graphit ist jedoch fragmentiert und litt in den letzten Jahren aufgrund von Umweltbedenken und erschöpften Lagerstätten unter der Schließung von rund 200 Minen. In Nordostchina nahe der nordkoreanischen Grenze, dem Hauptabbaugebiet, wird Graphit nur saisonal produziert aufgrund der rauen Klimabedingungen im Winter. Während der Schließung von Minen wird versucht, Material aus Rückständen und Lagerbeständen herzustellen.

Andere große Produzenten sind Brasilien und Indien. 2017 wurde in Mosambik eine neue und weltweit größte Graphitmine in Betrieb genommen. In Mosambik stehen mehrere weitere neue Minen kurz vor der Eröffnung, und Länder wie die Türkei, Russland und mehrere afrikanische Länder weisen erhebliche Reserven auf, die für die Einleitung weiterer Bergbauprojekte geeignet sind.

Probleme

Mit der Graphitproduktion ergeben sich einige Herausforderungen. Zum einen kann nicht der gesamte Graphit für alle Anwendungen verwendet werden; z.B. für die Anwendungen in der Elektromobilität kann nur hochreines Material des Flocken-, Venen- und synthetischen Typs verwendet werden. Darüber hinaus benötigen andere Branchen wie die Stahl- und Automobilindustrie neben der Batterieindustrie viel Graphit, was zu einem Wettbewerb führt. In nicht allzu ferner Zukunft wird auch eine starke Nachfrage der Nuklearindustrie für die neuen Kieselbettreaktoren und die in Fahrzeugen verwendeten Brennstoffzellen erwartet.

 

Die chinesische Bergbauindustrie ist sehr fragmentiert und die Produktion wird durch alternde Minen und einige schwerwiegende Umweltprobleme (Staubemissionen, Graphitregen und Abwasserentsorgung), Saisonalität und politische Richtlinien für den Ausbau der Wertschöpfungskette innerhalb China beeinträchtigt.

In Indien wird die Produktion durch eine ganze Reihe von Problemen behindert, vor allem durch alte und neue Rechtsrahmen mit noch unklaren Verfahren, darunter Umweltgenehmigungen, soziale Lizenzen, unzureichende Infrastruktur, begrenzte Fachkräfte, Landnutzungswettbewerb, Betrug und Korruption.

 

Ausblick

Graphit ist seit langem das Material der Wahl für Anodenmaterial. Technische Mängel und Sicherheitsbedenken, insbesondere bei schneller Aufladung und niedrigen Temperaturen sowie potenzielle Versorgungsrisiken, veranlassten die Forschung jedoch, andere Materialien zu erforschen. Dazu zählen zum einen Lithium-Titan-Oxid, das eine lange Lebensdauer, aber eine verringerte Energiekapazität bietet und viel teurer ist, oder Siliziumbasis Anoden, die eine überlegene Leistung haben, jedoch einen entscheidenden Nachteil der Materialexpansion während des Ladens aufweisen.

Neue Verarbeitungstechnologien scheinen einige der genannten Nachteile zu überwinden und Graphit als günstiges Material für die Batterieproduktion etwas länger zu halten.

 

adaptiert von Dr. Volker Zepf

Quellen: 

Capiglia C., Goriparti S., Miele E., De Angelis F., Di Fabrizio E., Zaccaria R P (2014): Review on recent progress of nanostructured anode materials for Li-ion batteries.
Chelgani S. C., Rudolph M., Gutzmer J. (2016): A Review of Graphite Beneficiation Techniques. DOI: 10.1080/08827508.2015.1115992 InvestingNews (2017): Types of Graphite: Amorphous, Flake and Vein.
Northern Graphite Corporation (2018): Annual Information Form For The Year Ended December 31, 2017. Northern Graphite Corporation (2018): Lithium Ion Batteries.
Syrah Resources Limited (2018): Graphite and Its Uses.
Transport & Environment 2017, Electric vehicle life cycle analysis and raw material availability.
USGS (2018): Minerals Yearbook Graphite 2015.
USGS (2018): Webpage Graphite, Minerals Yearbooks and Mineral Commodity Summaries 
Wood D L III, An S J, Li J, Daniel C, Mohanty D, Nagpure S (2016): The state of understanding of the lithium-ion-battery graphite solid electrolyte interphase (SEI) and its relationship to formation cycling.