石墨的环境挑战与科技应用

几乎每天都会有新闻报道强调某些关键矿产供应或地缘政治风险。鉴于电池制造和电气化的大规模发展，锂、镍、铜、镁、石墨和稀土等矿产是能源转型的关键，也是航空航天和国防应用的投入。

让我们深入研究其中一种矿物：石墨。石墨是纯碳的结晶形式，具有高导电性、耐热性和其他特性，是炼钢、核反应堆、耐火材料、刹车、润滑剂和电池等各种行业必不可少的材料。

尽管目前电池行业约占石墨需求的 20%，但预计该行业将推动大部分预测需求，到 2030 年，世界将面临 3 倍以上的石墨供应缺口。

这一艰巨的挑战因中国生产了全球约 70% 的天然石墨和约 50% 的人造石墨，并控制了近 100% 的精炼过程而变得更加严峻。涂层球形石墨是锂离子电池阳极的关键成分，虽然比锂更便宜、更不吸引人，但它却占电池重量的 20-50%。

球形石墨的扫描电子显微镜图像

肮脏的进程换来清洁的未来

不幸的是，生产石墨历来都是一项污染性工作。石墨有两种类型：开采的天然石墨和从石油焦中提取的合成石墨。

天然石墨以矿石形式开采，然后经过破碎、研磨、筛选和浮选等选矿步骤以去除杂质。这一过程与所有矿山一样，存在同样的环境问题。

而合成石墨则以石油焦（石油精炼的副产品）为原料，在约 1400°C 下煅烧，在约 3000°C 下石墨化。达到如此高的温度需要消耗大量能源，因此中国合成石墨的排放量是天然石墨的 2-4 倍。

目前，各公司正在努力建立国内石墨资源，但这些公司预计客户将支付比中国石墨高出 30-50% 的价格。

因此，实验室和初创公司正在尝试使用甲烷、生物质和煤炭等其他碳原料合成石墨的新方法。我们将在下一篇文章中探讨其中一些方法。