Life cycle assessment of hard carbon production in Norway using biomass (sawdust) as precursor

Abstract

Hard karbonproduksjon har fått mer oppmerksomhet de siste årene på grunn av verdien i alkali-ion-batterier. Dens fordelaktige egenskaper i natriumion-batterier gjør det mulig for bat- produksjonen for å være mer bærekraftig og billigere sammenlignet med dagens Lithium-ion batteriteknologi som har noen begrensninger når det gjelder knapphet på litium og geografiske bekymringer for litiumkilder i jordskorpen.

Den harde karbonproduksjonen er imidlertid i sitt utgangspunkt sammenlignet med grafitt as et dominerende brukt anodemateriale i dagens toppmoderne teknologi. Det er mange aspekter som skal forbedres og undersøkes når det gjelder utnyttelse av hardt karbon som et alternativ. Miljøpåvirkningene ved å produsere hardt karbon er én av flere aspekter som er fokus i denne studien.

Det gjøres en litteraturstudie i dette oppgavearbeidet som bidrar til å skape et grunnlag for videre analyse. Litteraturgjennomgangen gir grunnleggende konklusjoner om strukturen til hardt karbon og den underliggende påvirkningen det har på den elektrokjemiske ytelsen. Det er vist i litteraturgjennomgangen at det er bevis for at strukturen til det harde karbonet forløpere har stor innvirkning på den endelige strukturen til det harde karbonet. Dessuten, livssyklusvurdering er introdusert som hovedverktøy for miljøkonsekvensanalyse. ReCiPe 2016 brukes som metode for å analysere påvirkningene. Fire hovedmidtpunkt påvirkningskategorier er dypt undersøkt, nemlig global oppvarmingspotensial, forsuring potensial, ozonnedbrytningspotensial og eutrofieringspotensial. Produksjonen modellen er implementert i SimaPro programvare som er en profesjonell livssyklusvurdering programvare.

Produksjonsmodellen for hardkarbonproduksjon fra sagflis består av fire hovedtyper prosesser. Disse prosessene er karbonisering, syrevasking med tørking, varmebehandling (pyrolyse), og fresing. Disse prosessene har delprosesser og mer fokusert informasjon er gitt i metodedelen.

Flere ulike scenarier for den harde karbonproduksjonen undersøkes. Det har vært vist at bruk av sagflis som en forløper for produksjon av hardt karbon har den laveste globale potensielle oppvarmingseffekter.

Når det gjelder produksjonsprosessene, er det vist at den høyeste globale oppvarmingspo- foreløpige påvirkninger tilskrives syrevaskeprosessen. Dessuten er det tydelig at overdreven varmeproduksjon i karboniseringsprosessen reduserer den totale miljøpåvirkningen og dens virkningene er negative. Varmebehandlingsprosessen har størst effekt etter syrevask prosess på grunn av sin energibruk og høye temperaturkrav.

Hard carbon production is getting more attention in the recent years due to its value in alkali-ion batteries. Its beneficial features in sodium-ion batteries enables the battery manufacturing to be more sustainable and cheaper compared to current Lithium-ion battery technology which has some limitations regarding the scarcity of lithium and the geographical concerns of Lithium sources in the earth crust.

However, the hard carbon production is in its starting point compared to graphite as a dominantly used anode material in the current state-of-the-art technology. There are many aspects to be improved, and investigated, regarding the utilization of hard carbon as an alternative. The environmental impacts of producing hard carbon is one the several aspects that is the focus of this study.

A literature study is done in this thesis work that contributes to creating a foundation for further analysis. The literature review provides basic conclusions about the structure of hard carbon and the underlying influence it has on the electrochemical performance. It is shown in the literature review that there is evidence that the structure of the hard carbon precursors have a large impact on the final structure of the hard carbon. Furthermore, life cycle assessment is introduced as the main tool for environmental impacts analysis. ReCiPe 2016 is used as the method for analyzing the impacts. Four main midpoint impact categories are deeply investigated, namely, global warming potential, acidification potential, ozone depletion potential, and eutrophication potential. The manufacturing model is implemented in SimaPro software which is a professional life cycle assessment software.

The manufacturing model for hard carbon production from sawdust consists of four main processes. These processes are carbonization, acid washing with drying, heat treatment (pyrolysis), and milling. These processes have sub-processes and more focused information is provided in the method section.

Several different scenarios for the hard carbon production are investigated. It has been shown that using sawdust as a precursor for hard carbon production has the lowest global warming potential impacts.

Regarding the manufacturing processes, it is shown that the highest global warming potential impacts are attributed to acid washing process. Also, it is evident that the excessive heat production in carbonization process reduces the total environmental impacts and its impacts are negative. Heat treatment process has the highest impacts after acid washing process due to its energy use and high temperature requirement.