Graphite for lithium-ion batteries: mineral analysis and global Material Flow Analysis

Graphite is a mineral commodity used as anode for lithium-ion batteries (LIBs), and its global demand is doomed to increase significantly in the future due to the forecasted global market demand of electric vehicles. Currently, the graphite used to produce LIBs is a mix of synthetic and natural graphite. The first one is produced by the crystallization of petroleum by-products and the second comes from mining, which causes threats related to pollution, social acceptance, and health. This MSc work has the objective of determining compositional and textural characteristics of natural, synthetic, and recycled graphite by using SEM-EDS, XRF, XRD, and TEM analytical techniques and couple these data with dynamic Material Flow Analysis (MFA) models, which have the objective of predicting the future global use of graphite in order to test the hypothesis that natural graphite will no longer be used in the LIB market globally. The mineral analyses reveal that the synthetic graphite samples contain less impurities than the natural graphite, which has a rolled internal structure similar to the recycled one. However, recycled graphite shows fractures and discontinuities of the graphene layers caused by the recycling process, but its rolled internal structure can help the Li-ions’ migration through the fractures. Three dynamic MFA studies have been conducted to test distinct scenarios that include graphite recycling in the period 2022-2050 and it emerges that - irrespective of any considered scenario - there will be an increase of synthetic graphite demand, caused by the limited stocks of battery scrap available. Hence, I conclude that both natural and recycled graphite is doomed to be used in the LIB market in the future, at least until the year 2050 when the stock of recycled graphite production will be enough to supersede natural graphite. In addition, some new improvement in the dismantling and recycling processes are necessary to improve the quality of recycled graphite.

Valutazione del ciclo antropogenico del neodimio in Italia, mediante metodologie MFA e LCA

Per raggiungere gli obiettivi di neutralità climatica del 2050 stabiliti dal Green Deal europeo, l’approvvigionamento sicuro e sostenibile di materie prime critiche è considerato essenziale e l’attuale crisi energetica ne ha rimarcato l’importanza. Tra queste materie prime, il neodimio risulta essere fondamentale per un ampio numero di applicazioni tecnologiche di interesse crescente come la mobilità elettrica e la generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili. La produzione mondiale di neodimio è dominata dalla Cina e l’Italia dipende completamente dalle importazioni per soddisfare la propria domanda. Il riciclo dei prodotti a fine vita potrebbe coprire parte della domanda nazionale di neodimio e ridurre la dipendenza dalle importazioni cinesi. Ma, attualmente, la percentuale di riciclo del metallo è inferiore all’1% globalmente con attività di riciclo spesso inesistenti su scala industriale a livello nazionale. Per dare chiarezza sulla catena del valore di neodimio in Italia e dimostrare le potenzialità del suo riciclo, in questa tesi sono state applicate le metodologie di MFA e di LCA. Un modello dinamico retrospettivo di MFA è stato sviluppato col fine di investigare il ciclo antropogenico del neodimio, identificando e valutando i flussi e le riserve nazionali dal 1995 al 2020. Attraverso un modello di distribuzione dei tempi di vita è stata quantificata la riserva in uso del metallo, che ammonta a 3,3 kt Nd o 56 g Nd pro capite. Un riciclo della riserva in uso potrebbe soddisfare l’attuale domanda di neodimio oltre al 2030. I risultati dell’MFA sono stati integrati con i fattori LCA di caratterizzazione di impatto ambientale, dimostrando che il riciclo potrebbe ridurre più dell’80% delle emissioni di gas serra e della energia richiesta associate alla produzione di neodimio primario. Si prevede che lo studio possa contribuire all’implementazione di politiche e strategie di rafforzamento della catena di approvvigionamento del neodimio.