从煤炭到电动汽车电池：资源的转型

来自 实验室仪器网

得益于一项广泛的研究项目，该项目利用能源部实验室的专业知识，昔日的污染燃料可能转化为未来电动汽车电池的宝贵材料。研究人员创造并测试了两种将煤转化为稀缺矿物石墨的方法，石墨可用于制造电动汽车电池和可再生能源存储。

地质调查局将石墨列为能源的关键材料，因为国内天然石墨供应量很少，国外进口量也有限。另一方面，煤炭既丰富又便宜。

ORNL的煤制石墨项目得到了实验室内一支由工程师、材料科学家和计算化学家组成的多元化团队的支持。研究人员正在开发和改进最先进的石墨生产工艺，验证其经济可行性并扩大生产规模。

项目负责人表示，此项努力有三大主要好处：推动更广泛地应用电动汽车，以减缓气候变化的影响；减少对外国材料的依赖，保障国家安全；为前煤矿社区带来经济发展。

研究团队的电化学家表示，这种潜在影响令人振奋。“我们可以从使用煤炭发电转向使用煤炭实现清洁能源技术，同时帮助人们重返工作岗位，并使工业供应链多样化，”他说。应用能源研究中心准备并提供该项目所需的沥青、煤和废煤材料。

该项目迅速取得了一系列重大的科学和工程进展。首先，ORNL的研究人员优化了一种无氧加热煤炭的工艺，这种工艺可防止燃烧并将其转化为两种主要产品：可冷凝成煤液的气体和煤焦。研究团队的一个分支发明了一种处理液体副产品的方法，然后使用现有的压力喷雾技术制造细颗粒。与此同时，同事们开发了一种在电化学反应器内将颗粒或焦炭转化为石墨的配方。

“锂和钴是电池中两种关键的矿物，但电动汽车电池中重量最大的材料是石墨，石墨的质量越好，电池就越好。性能和成本都极具竞争力。初步技术经济分析得出的结论是，新工艺可能比传统的石墨制造方法更便宜。使用ORNL石墨制成的测试电池在数百次循环后保持其容量的效果几乎与商业同类产品一样好。

ORNL的方法甚至可以利用煤炭加工和旧矿井产生的废料来制造石墨，在进行环境修复的同时创造价值。

ORNL的电化学方法首先通过加热煤颗粒（称为热解）来制备原料，以产生煤焦和煤液，同时分析其有机成分。由ORNL的ShengDai领导的一组研究人员开发了一种台式电化学工艺，用于将这些煤副产品转化为石墨。

传统的合成石墨方法以19世纪90年代的发明家爱德华·古德里奇·艾奇逊(EdwardGoodrichAcheson)的名字命名，主要依靠极高的温度。在铁坩埚中，将成批的二氧化硅或石英砂与一种称为焦炭的碳粉材料在4,000华氏度以上的温度下混合。

ORNL的电化学方法在1500华氏度的温度下利用煤炭副产品制造石墨。当向电化学反应器施加2.7伏电压时，离子会穿过电极之间的熔盐，从而发生转化。该方法不会产生排放或废品。

科研团队将石墨制成带负电的电极（阳极），并将其装入实验性锂离子电池中并进行测试。通过对电压、时间和盐的各种组合进行实验，产生了适合离子运动的理想表面积和孔隙率。研究人员发现，即使是充满二氧化硅和无机材料的煤矿废料也可以制成碳/石墨复合材料，用作电池阳极。

为了从分子水平上了解这些材料，研究人员使用了多种技术，如X射线衍射、计算机断层扫描或CT扫描、质谱、核磁共振、小角度中子散射和高分辨率电子显微镜检查。

沃尔夫在煤焦行业拥有30年的经验，他的工作是将Thapaliya的台式石墨工艺扩大到更大的反应器。沃尔夫将煤焦磨成小而圆的颗粒，将其与粘合剂混合，然后将其压成直径为36毫米的圆柱形颗粒。颗粒被装入一个导电的圆柱形支架中，该支架被插入沃尔夫实验室中一个齐胸高的反应堆中。

与炭不同的是，煤液在进入沃尔夫的反应器之前需要进一步处理。首先，它们被过滤，然后进行热处理以产生沥青，沥青溶解在溶剂中。由橡树岭国家实验室的弗雷德里克·沃塔德领导的研究人员采用了一种工业工艺，通过喷嘴喷洒这种混合物。加压空气使溶剂蒸发，而沥青凝固成球形颗粒，落入玻璃罐中。

ORNL计算科学家StephanIrle和他的团队开发了软件，可以自动生成不同类型的煤和沥青的3D分子模型，并进行了大规模模拟，这有助于选择最佳溶剂并预测工艺变化将如何影响最终产品。

喷雾干燥省去了耗能的研磨步骤，从而可以制造出均匀的圆形颗粒。这种形状在电池制造过程中更容易在液体浆料中流动，并且随后允许离子在电池运行过程中更容易在电极之间移动。沃尔夫说，用石墨塑造圆形颗粒会浪费部分资源。

“喷雾干燥法使我们能够控制颗粒大小，而不会损失有价值的材料，”Lara-Curzio说。“这是一项重要的创新，因为对于制造锂离子电池，公司需要约20微米的微小颗粒。”

沃尔夫不仅继续提高石墨的质量，还不断提高生产数量和速度。他已经将石墨产量从每次5克扩大到500克，尽管反应堆每次只能生产几公斤。工艺改进正在增加反应过程中转化的数量。

科研人员还致力于缩短生产时间，目前生产时间为4.5小时。只要缩短生产周期，就可以降低成本，这是实现商业化的关键。

转化可能已经发生得更快了。为了找到答案，该团队正在等待一台非常强大的粒子加速器，它会产生一束光束，让研究人员能够在试管中观察熔盐反应的内部情况。“这是了解碳原子重新定向形成石墨的机制以及发生速度的关键。

虽然许多ORNL专家致力于提高石墨产量，但其他人已经开始转向商业化。研究员领导的近期初步经济分析证实，电化学方法可以实现盈利。以一家年产10,000吨的工厂为例，新工艺的成本将比传统Acheson工艺低13%左右，后者的成本为每公斤7至20美元。

该研究考虑了原材料、劳动力、能源、设备、折旧等成本。在设备磨损量相同的情况下，ORNL方法比Acheson方法生产出更多的石墨。

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