Parametric LCA Modelling of Battery Materials - The case of Graphene

Abstract

I dag blir det gjort betydelige investeringer i nye batteriteknologier med fokus på fornybar energi. Foreløpig er Li-S batterier ansett som den mest lovende etterfølgeren for Li-ion, da disse representerer flere fordeler. Imidlertid står Li-S overfor utfordringer hvor grafen holder løfter om å eliminere hindringene på veien for kommersialisering. Grafen er et svært ledende, fleksibelt og mekanisk robust materiale. Denne oppgaven tar for seg produksjonsveien: syntetisk og naturlig grafittproduksjon, Hummers' prosess for grafittoksidasjon og kjemisk reduksjon for siste trinn i produksjonen.

Denne studien undersøker miljøpåvirkningen ved å produsere 1 kg grafen ved å bruke en parametrisk livssyklusvurdering (LCA)-modell. Dette muliggjør en analyse av samspillet mellom nøkkelparametrene i grafenverdikjeden og også avdekke variasjonen av miljøpåvirkninger ved å endre dem dynamisk. Denne modellen gir en detaljforståelse av relevante prosesser og øker presisjonen av analysen. Totalt er fire variabler (grafittproduksjon, modifikasjoner av Hummers-prosessen, strømintensitet og grafenutbytte) parametrisert, noe som resulterte i 108 forskjellige scenarioer for grafenproduksjon.

Resultatene gitt i denne studien viser at de to prosessene; grafittoksidasjon og kjemisk reduksjon bidrar mest til GWP. Dette impliserer at parametrene som gjelder for disse to prosessene er betydelige, dvs. strømintensitet, ettersom begge prosessene er energiintensive, og grafenutbytte i den kjemiske reduksjonsprosessen. I tillegg er evaluering av den kjemiske sammensetningen av oksidasjonsprosessen for grafitt også avgjørende for å minimere miljøpåvirkningen fra grafenproduksjon.

Substantial investments are being made in new battery technologies with focus on renewable energy in the industry. Currently, Lithium-Sulfur (Li-S) batteries are considered the most promising successor for Lithium-ion (Li-ion) as it represent several advantages. However, Li-S batteries are facing challenges where graphene hold promises in eliminating the barriers for commercialization. Graphene is a highly conductive, flexible and mechanically robust material. This thesis considers the production route; synthetic and natural graphite production, Hummers' process for graphite oxidation and chemical reduction for the last stage in production.

This study investigates the environmental impacts from producing 1 kg graphene by utilizing a parametric life cycle assessment (LCA) model. This model enables an assessment of the interplay between the key parameters in the graphene value chain and detect the variation of impacts by altering them dynamically. This detailed assessment highlights relevant processes and increases the precision of the assessment. A total of four variables (graphite production route, modifications of the Hummers' process, electricity intensity and graphene yield) were parameterized, resulting in 108 different scenarios for graphene production.

The results provided by this study show that the two processes: graphite oxidation and chemical reduction have the largest contribution to GWP. This indicates that the parameters electricity intensity, as both processes are energy-intensive, and graphene yield in the chemical reduction process are significant. In addition, evaluating the chemical composition of the graphite oxidation process is also crucial in order to minimize the environmental impact from graphene production.