Национальная лаборатория энергетических технологий США (NETL) получила финансирование от Центра инноваций в области критически важных материалов Министерства энергетики США (DOE Critical Materials Innovation Hub) на расширение исследований, направленных на превращение пластиковых отходов, включая одноразовые бутылки и пакеты, в альтернативное сырьё для производства высококачественного графита.
Разработанная в NETL технология позволяет получать графит из отходов полиэтилена (PE) по упрощённой схеме, обеспечивая продукт, сопоставимый по качеству или превосходящий коммерчески доступный синтетический графит. Преобразование отходов полиэтилена в графит даёт возможность перенаправить загрязняющий окружающую среду пластик из мусорных полигонов и океанов в производственную цепочку, где он может служить источником сырья для производства материалов с добавленной стоимостью. Это также способствует формированию внутреннего устойчивого производства критически важного минерального ресурса — графита, необходимого для обеспечения национальной и экономической безопасности США.
По словам исследователя NETL Юаня Гао, графит является необходимым компонентом в производстве анодов литий-ионных аккумуляторов, применяемых в электромобилях, военных беспилотных летательных аппаратах и резервных источниках питания. Совместная работа с партнёрами в рамках Центра инноваций позволит создать надёжную внутреннюю цепочку поставок графита, используя отходы полиэтилена в качестве сырья.
Выделенные средства направлены на продолжение сотрудничества с Национальной лабораторией Ок-Ридж, Национальной лабораторией Эймса и корпорацией Ingevity, специализирующейся на разработке химической продукции и расположенной в Северной Каролине. Партнёрство было инициировано в январе 2024 года и направлено на получение высококристаллического графита из отходов полиэтилена и лигнина — побочного продукта целлюлозно-бумажной промышленности и других производств на основе биомассы.
Цель текущего этапа исследований — разработка упрощённого химического процесса, включающего элементы машинного обучения для оптимизации параметров синтеза графита из углеродсодержащих остатков биомассы и пластиковых отходов. Графит, получаемый данным методом, предполагается использовать в аккумуляторах с возможностью быстрой зарядки.
Проблема пластиковых отходов остаётся глобальной на протяжении последних 75 лет. С 1950-х годов в мире было произведено более 7,8 миллиарда тонн пластмасс — в пересчёте примерно по тонне на каждого человека. При этом уровень переработки составляет лишь 6–7%, поскольку большинство существующих методов эффективно работают только с относительно чистыми отходами, не содержащими пищевых загрязнений, красителей и добавок.
Кроме того, традиционные методы рециклинга сопровождаются снижением эксплуатационных свойств полимеров, что ограничивает число циклов их повторного использования и снижает экономическую целесообразность переработки. В связи с этим технология, разрабатываемая NETL, направлена на включение отходов пластика в производственные цепочки, где они могут служить стабильным источником углеродных материалов с высокой добавленной стоимостью.
Ранее лаборатория также представила запатентованные технологии по производству высокоценных углеродных материалов, таких как суперконденсаторы, на основе переработанного пластика. По словам старшего исследователя NETL Кристофера Матранги, использование пластика для производства твёрдых углеродных материалов, включая графит, обеспечивает долговременную утилизацию отходов. При этом графит, применяемый в аккумуляторах, может быть извлечён после окончания срока службы устройства и повторно использован.
Центр инноваций в области критически важных материалов был основан в 2013 году и координируется Национальной лабораторией Эймса. Его деятельность направлена на разработку комплексных решений по всем стадиям жизненного цикла материалов, снижение зависимости от нестабильных поставок и минимизацию колебаний рыночных цен на критически важные ресурсы.
Национальная лаборатория NETL осуществляет свою деятельность в рамках Министерства энергетики США, занимаясь разработкой технологий в области энергетики и рационального использования природных ресурсов. Лаборатория располагает исследовательскими центрами в Олбани (Орегон), Моргантауне (Западная Вирджиния) и Питтсбурге (Пенсильвания), где ведутся разработки в сфере энергетической безопасности, устойчивости и доступности ресурсов.