The global cycle of Graphite - A dynamic Material Flow Analysis (2020-2050) of the natural, synthetic and recycled graphite value chains to understand the supply of LIB anodes

Abstract

Dekarboniseringen av transportsektoren forventes å være avhengig av elektriske kjøretøy (EV), hovedsakelig utstyrt med litiumionbatterier (LIB). Det primære anodematerialet for disse batteriene er grafitt. Grafitt utvinnes enten fra gruver og kalles naturlig grafitt, eller grafittiseres fra en karbonforløper, vanligvis nålekoks, og kalles syntetisk grafitt. Det er bekymring for at den raske veksten i markedsandelen til LIB-er kan forstyrre naturlige og syntetiske grafitt-verdikjeder.

En parametrisk modell ble utviklet for å kvantifisere strømmene i grafittverdikjeden og bruken i elektriske kjøretøy mellom 2020 og 2050 i flere scenarioer. Denne modellen gir mengden nålekoks og grafittmalm som trengs for å sikre forsyningen av verdikjedene. Scenariene omfatter kjøretøyets eierskap, størrelse på kjøretøy, EV-markedsandel, batterikjemi, gjenvinningsteknologier og andelen naturlig kontra syntetisk grafitt i batterier. Samtidig ble det utviklet en modell for petroleumraffinerier for å kvantifisere maksimal tilførsel av nålekoks i ulike markedsandelscenarier og sammenligne det med etterspørselen. Når det kommer til naturlig grafitt ble det gjennomført en analyse av den nåværende situasjonen for å forstå geografisk opprinnelse for forsyningen, samt potensielle hindringer for utvidelse. Det er blitt lagt betydelig vekt på betydningen av usikkerhet i modellen ved å bruke Monte Carlo-simulering for å vurdere usikkerheten i resultatene.

En parametrisk modell for etterspørselen etter grafitt ble utviklet. Resultatene kan visualiseres online på http://129.241.153.120:8052. Behovet for grafittmalm og nålekoks varierer betydelig mellom scenarioene, med 1312 til 25673 kton grafittmalm og 3945 til 22301 kton nålekoks i 2050 i de seks valgte scenarioene. Maksimal tilførsel av nålekoks varierer fra 3596 til 39123 kton avhengig av EV-markedsandelen og fleksibilitet i raffinerier. Studien avdekket at LIB-produksjonen er avhengig av utvinning av hydrokarboner, noe som fører til begrensninger i tilførselen av syntetisk grafitt. I scenarioer med rask EV-markedsandelen kreves det mindre petroleum av transportsektoren, og tilførselen av nålekoks begrenses som en konsekvens. Ved å erstatte konvensjonelle kjøretøy reduserer elektriske kjøretøy sin egen tilførsel av nålekoks og syntetisk grafitt. På den andre siden er grafittmalm rikelig, men mangelen på infrastruktur og utviklingstid gjør det usannsynlig å se at tilførselen holder tritt med den galopperende etterspørselen.

Bare kombinasjonen av de mest effektive gjenvinningsteknikkene med samfunnsmessige endringer, som lavere kjøretøyomsetning og mindre kjøretøy, kan begrense risikoen for mangel på grafittforsyning. Imidlertid er slike gjenvinningsrater umulig å implementere i dag, da aldringsmekanismene til grafitt i LIB-er fortsatt ikke er fullt ut forstått. Derfor spiller nøkternhet en avgjørende rolle for å redusere etterspørselen etter grafitt. Dette ville også ha medfølgende fordeler, da mindre kjøretøy kan bruke alternative batterikjemier, og begrensning av produksjonen av EV-er generelt ville begrense miljøpåvirkningen knyttet til grafittproduksjonen.

The decarbonisation of the transportation sector is expected to rely on electric vehicles (EV), mainly equipped with Lithium Ion Batteries (LIB). The primary anode material for these batteries is graphite. Graphite is either mined and called natural graphite or graphitised from a carbon precursor, usually needle coke, and called synthetic graphite. There are concerns that the rapid penetration of LIBs could disrupt the natural and synthetic graphite value chains.

A parametric model was developed to quantify the flows in the graphite value chain and its use in electric vehicles between 2020 and 2050 in several scenarios. This model provides the amount of needle coke and graphite ore needed to ensure the supply of the value chains. The scenarios comprise vehicle ownership, size of vehicles, EV penetration, battery chemistries, recycling technologies and the share of natural versus synthetic graphite in batteries. Parallely, a model of petroleum refineries was developed to quantify the maximum supply of needle coke in the different penetration scenarios and compare it with the demand. On the natural graphite side, an analysis of the current situation was conducted to understand the geographical origin of the supply as well as potential barriers to its expansion. Significant attention has been paid to the importance of uncertainty in the model, using Monte Carlo simulation to assess the uncertainty of results.

A parametric model of the demand for graphite was developed. The results can be visualised online at http://129.241.153.120:8052. The range of the demand for graphite ore and needle coke varies greatly between the scenarios, with 1312 to 25673 ktons of graphite ore and 3945 to 22301 ktons of needle coke in 2050 in the six selected scenarios. The maximum supply for needle coke varies from 3596 to 39123 ktons depending on EV penetration and flexibility in refineries. The study revealed the dependence of LIB production on the extraction of hydrocarbons leads to supply constraints for synthetic graphite. In scenarios with fast EV penetration, less petroleum is required by the transportation sector, and the supply of needle coke is constrained as a consequence. By replacing conventional vehicles, electric vehicles cut their own supply of needle coke and synthetic graphite. On the other side, graphite ore is abundant, but the lack of infrastructure and development time makes it unlikely to see its supply keep up with the galloping demand.

Only the combination of the most efficient recycling techniques with societal changes, such as lower vehicle ownership and smaller vehicles, can mitigate the risk of graphite supply shortages. However, such recycling rates are impossible to implement today, as the ageing mechanisms of graphite in LIBs are still not fully understood. Therefore, sobriety has a crucial role in decreasing the demand for graphite. It would also bring co-benefits, as smaller vehicles could use alternative battery chemistries and reducing the overall production of EVs would limit environmental impacts related to graphite production.