Catalytic Graphitization of Bio-based Carbon Precursors: A Sustainable Process to Produce Bio-graphite

Abstract

Den snabba tillväxten av litiumjonbatterier och elektriska ljusbågsugnar inom stålindustrin har lett till en kraftigt ökad global efterfrågan på grafit. Samtidigt står konventionella produktionsvägar för naturlig och syntetisk grafit inför betydande utmaningar kopplade till resursbegränsningar, beroende av fossila råvaror, hög energiförbrukning och negativ miljöpåverkan. Denna avhandling undersöker hållbara processvägar för framställning av högkvalitativ grafit från förnybara biobaserade kolprekursorer genom katalytisk grafitisering.

Biokol och pyrolysolja som härrör från träbaserad biomassa utvärderades systematiskt som kolprekursorer. Laboratoriebaserade försök med katalytisk grafitisering genomfördes för att klarlägga hur prekursorernas egenskaper påverkar grafitutbyte, kristallinitet, mikrostruktur och reaktionsmekanismer. Resultaten visar att pyrolysolja möjliggör högre grad av grafitisk ordning genom en gas fastmedierad omstrukturering, medan biokol ger ett avsevärt högre fast kolutbyte och därmed är mer lämpligt för uppskalad produktion.

Centrala driftparametrar som styr den katalytiska grafitiseringen undersöktes därefter systematiskt, inklusive katalysatorns form, blandningsstrategi mellan katalysator och prekursor, grafitiseringstemperatur, uppehållstid, katalysatorhalt samt katalysatorsammansättning. Nitratbaserade metallsalter uppvisade högre katalytisk effektivitet än metallpulver på grund av bättre dispersion, och våtimpregnering visade sig ge avsevärt förbättrad grafitisk ordning jämfört med torrblandning. Förhöjda temperaturer och optimerade uppehållstider främjade strukturell omvandling, medan hybrida katalysatorsystem, särskilt trimetalliska Fe Ni Mn katalysatorer, uppvisade synergistiska effekter som markant förbättrade grafitens kristallinitet och mikrostrukturella utveckling.

För att hantera skalbarhetsbegränsningar och miljöutmaningar förknippade med metallsaltkatalysatorer utvecklades en ny katalytisk grafitiseringsprocess baserad på ett smält metallbad. Processen, som inspirerades av laboratorieobservationer av densitetsdriven fasuppdelning mellan smält järn och grafitiserat kol, har inte tidigare rapporterats i litteraturen. Den möjliggör direkt separation av grafit från katalysator vid hög temperatur utan behov av syrarensning. Försök i pilotskala visade att processen möjliggör kontinuerlig produktion av högordnad grafit med mycket låg kvarvarande metallhalt.

Den framställda biografitens användbarhet verifierades i två industriellt viktiga tillämpningar. Som elektroder i elektriska ljusbågsugnar uppvisade biografiten låg elektrisk resistivitet och effektiv metallsmältning. Som anodmaterial i litiumjonbatterier visade biografiten god cyklingsstabilitet i både halvcell- och fullcellskonfigurationer. Slutligen visade processimulering i Aspen Plus i kombination med livscykelanalys att den föreslagna biobaserade grafitproduktionsvägen har avsevärt lägre kumulativ energianvändning och växthusgasutsläpp jämfört med konventionella produktionsvägar för naturlig och fossilbaserad syntetisk grafit.

Sammanfattningsvis etablerar denna avhandling ett heltäckande ramverk för hållbar grafitproduktion från biobaserat kol, där processutveckling, parameteroptimering, uppskalningsstrategi och miljöutvärdering integreras. Resultaten visar att katalytisk grafitisering utgör ett industriellt relevant och hållbart alternativ till dagens grafitförsörjningskedjor.

Link to DiVA