Graphite là một vật liệu carbon quan trọng, đang đóng vai trò thiết yếu trong quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Với đặc tính dẫn điện và nhiệt tuyệt vời, graphite là thành phần không thể thiếu trong anot pin lithium-ion, được sử dụng trong xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng. Nhu cầu graphite đang tăng vọt, chủ yếu do sự phát triển của ngành xe điện, trong khi nguồn cung đang phải đối mặt với thách thức về sự tập trung địa lý. Bài viết này phân tích về nhu cầu, nguồn cung, thách thức và các giải pháp phát triển bền vững cho nguyên liệu then chốt này trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng toàn cầu.
1. Giới thiệu
Graphite, một dạng của carbon thường được biết đến qua việc sử dụng trong bút chì, đang trở thành một trong những khoáng sản quan trọng nhất cho quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Với đặc tính dẫn điện và nhiệt tuyệt vời, graphite là thành phần không thể thiếu trong anot pin lithium-ion, được sử dụng trong cả xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng (International Energy Agency [IEA], 2023). Khả năng lưu trữ và giải phóng ion lithium của graphite cùng với độ ổn định cấu trúc cao đã khiến nó trở thành vật liệu anot hàng đầu cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng hiện đại (Benchmark Mineral Intelligence, 2023).
2. Nhu cầu tăng vọt từ ngành pin xe điện
Nhu cầu graphite toàn cầu đạt khoảng 4,6 triệu tấn vào năm 2023, tăng 11% so với năm trước. Theo kịch bản cam kết khí hậu (APS) của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, nhu cầu sẽ tăng hơn gấp đôi lên 10,4 triệu tấn vào năm 2030 và tiếp tục tăng lên 16 triệu tấn vào năm 2040 (IEA, 2023). Trong kịch bản tham vọng hơn như Net Zero Emissions (NZE), nhu cầu graphite có thể đạt 13 triệu tấn vào năm 2030 và gần 18 triệu tấn vào năm 2040 (Liu et al., 2024).
Đáng chú ý, tỷ trọng graphite sử dụng trong các công nghệ năng lượng sạch đã tăng từ 14% năm 2021 lên 28% năm 2023, và dự kiến sẽ đạt 58% vào năm 2030 trong kịch bản APS và 65% trong kịch bản NZE (IEA, 2023). Pin xe điện là động lực chính thúc đẩy nhu cầu graphite, dự kiến chiếm khoảng 60% tổng nhu cầu vào năm 2030 trong kịch bản APS. Nhu cầu từ pin lưu trữ năng lượng tĩnh cũng tăng nhanh, dự báo đạt 1,2 triệu tấn vào năm 2040 (Mayyas et al., 2023).
3. Nguồn cung: Tự nhiên và tổng hợp
Graphite có một đặc điểm độc đáo trong số các khoáng sản quan trọng: nó có thể được khai thác từ các mỏ tự nhiên hoặc được tổng hợp từ các sản phẩm dựa trên nhiên liệu hóa thạch như cốc dầu mỏ. Hiện nay, cả graphite tự nhiên và tổng hợp đều được sử dụng trong anot pin, với graphite tổng hợp chiếm khoảng 80% thị phần trong ứng dụng này (Zhang & Zhao, 2022).
Sản lượng graphite tự nhiên đạt khoảng 1,6 triệu tấn vào năm 2023, với Trung Quốc chiếm 82% sản lượng toàn cầu, tiếp theo là Mozambique (6%) và Madagascar (4%) (IEA, 2023). Dựa trên các dự án đã công bố, sản lượng graphite tự nhiên dự kiến sẽ tăng lên 2,7 triệu tấn vào năm 2030 và 3 triệu tấn vào năm 2040 trong trường hợp cơ sở. Tuy nhiên, mức độ tập trung nguồn cung vẫn rất cao, với ba nước dẫn đầu dự kiến sẽ chiếm 88-89% thị phần (U.S. Geological Survey [USGS], 2024).
Đối với graphite cấp pin (dạng hình cầu và tổng hợp), mức độ tập trung còn cao hơn, với Trung Quốc hiện chiếm 99% sản lượng toàn cầu. Mặc dù có nhiều dự án mới đang được phát triển ở các khu vực đa dạng như Canada, Mỹ, Thụy Điển và các nước khác, thị phần của Trung Quốc trong sản xuất graphite cấp pin vẫn dự kiến đạt 93% vào năm 2030 (Benchmark Mineral Intelligence, 2023). Sự tập trung này tạo ra mối lo ngại lớn về an ninh cung ứng cho chuỗi giá trị pin toàn cầu.
4. Thách thức chính
Sự tập trung nguồn cung cực cao là thách thức lớn nhất đối với thị trường graphite. Trung Quốc không chỉ dẫn đầu về sản xuất graphite tự nhiên mà còn gần như độc quyền trong việc chế biến graphite cấp pin, với dự báo vẫn chiếm 93% sản lượng vào năm 2030 (IEA, 2023). Điều này tạo ra rủi ro địa chính trị đáng kể cho chuỗi cung ứng pin toàn cầu.
Từ tháng 12/2023, Trung Quốc đã áp dụng hệ thống cấp phép xuất khẩu đối với graphite cấp pin, làm tăng rủi ro gián đoạn cung ứng. Động thái này tương tự như các hạn chế trước đó đối với các khoáng sản quan trọng khác như đất hiếm, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đa dạng hóa nguồn cung (U.S. Department of Energy, 2023).
Thách thức môi trường cũng đáng kể, đặc biệt đối với sản xuất graphite tổng hợp. Quá trình tổng hợp tiêu thụ nhiều năng lượng và thường dựa vào nguồn điện than ở Trung Quốc, gây phát thải carbon cao. Theo ước tính của Bloomberg NEF, sản xuất 1 kg graphite tổng hợp phát thải khoảng 5,3 kg CO2, cao hơn so với graphite tự nhiên (3,3 kg CO2/kg) (Zhang & Zhao, 2022).
Chi phí vốn cao cho các dự án graphite ngoài Trung Quốc cũng là một rào cản lớn. Các dự án ở Bắc Mỹ và châu Âu có chi phí vốn cao hơn gấp đôi so với các dự án tương đương ở Trung Quốc, chủ yếu do chi phí nhân công và tuân thủ môi trường cao hơn (Mayyas et al., 2023). Điều này gây khó khăn cho việc phát triển nguồn cung mới ngoài Trung Quốc.
5. Xu hướng phát triển
Một trong những xu hướng quan trọng là việc pha trộn silicon vào anot graphite để tăng mật độ năng lượng cho pin. Năm 2023, gần một phần ba thị phần anot xe điện đã sử dụng silicon-graphite, với tỷ lệ silicon lên đến 10-12% (IEA, 2023). Sự kết hợp này giúp tăng dung lượng pin mà không làm thay đổi đáng kể quy trình sản xuất hiện có.
Châu Phi đang nổi lên như một khu vực quan trọng cho sản xuất graphite tự nhiên. Các dự án mới tại Mozambique như Ancuabe (60.000 tấn/năm) và tại Madagascar như Molo (150.000 tấn/năm) đang được phát triển, giúp đa dạng hóa nguồn cung cấp graphite toàn cầu (USGS, 2024). Nhiều dự án này có liên kết với các nhà sản xuất pin ở châu Âu và Bắc Mỹ.
Các dự án tích hợp dọc cũng đang được phát triển để đảm bảo an ninh cung ứng. Ví dụ, POSCO của Hàn Quốc đã ký thỏa thuận mua 24.000 tấn graphite mỗi năm từ mỏ Balama ở Mozambique, trong khi nhiều nhà sản xuất pin và ô tô đang đầu tư trực tiếp vào chuỗi cung ứng graphite (Benchmark Mineral Intelligence, 2023).
Xu hướng tự chủ cục bộ cũng đang diễn ra ở các khu vực như Bắc Mỹ và châu Âu. Đạo luật Giảm Lạm phát (IRA) của Mỹ và Đạo luật Nguyên liệu Thô Quan trọng của EU đã tạo ra động lực cho việc phát triển các chuỗi cung ứng graphite nội địa (U.S. Department of Energy, 2023). Nhiều dự án đang được phát triển ở Canada, Mỹ và Thụy Điển để đáp ứng các yêu cầu của những chính sách này.
6. Giải pháp đa dạng hóa và bền vững
Đầu tư vào khai thác graphite tự nhiên ở các khu vực ngoài Trung Quốc là một giải pháp quan trọng để đa dạng hóa nguồn cung. Các dự án ở Châu Phi, Nam Mỹ, và Bắc Mỹ cần được ưu tiên và hỗ trợ để tạo ra nguồn cung cấp ổn định. Ví dụ, dự án Matawinie ở Quebec (Canada) dự kiến sẽ sản xuất 100.000 tấn graphite mỗi năm, cung cấp nguồn nguyên liệu quan trọng cho thị trường Bắc Mỹ (Liu et al., 2024).
Cải thiện quy trình sản xuất graphite tổng hợp cũng rất quan trọng để giảm tác động môi trường. Việc sử dụng năng lượng tái tạo trong quá trình sản xuất và áp dụng các công nghệ hiệu quả năng lượng có thể giảm đáng kể lượng phát thải carbon. Các nghiên cứu gần đây về phương pháp tổng hợp graphite ít carbon hơn, như quy trình nhiệt phân sinh khối, đang cho thấy tiềm năng lớn (Zhang & Zhao, 2022).
Tái chế graphite từ pin đã qua sử dụng cũng là một hướng đi đầy triển vọng. Trong kịch bản Net Zero Emissions, tỷ lệ tái chế graphite dự kiến sẽ tăng đáng kể, đạt 25% vào năm 2040 (IEA, 2023). Các công nghệ tái chế mới như quá trình hydrometallurgical cho phép thu hồi graphite với độ tinh khiết cao, mở ra khả năng tái sử dụng trong các ứng dụng pin mới (Mayyas et al., 2023).
Các chính sách hỗ trợ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy đa dạng hóa và bền vững. Đạo luật Nguyên liệu Thô Quan trọng của EU và Đạo luật Giảm Lạm phát của Mỹ là những ví dụ về các chính sách đã tạo ra động lực cho đầu tư vào chuỗi cung ứng graphite ngoài Trung Quốc (U.S. Department of Energy, 2023). Các chính sách này cần được mở rộng và tăng cường để tiếp tục thu hút đầu tư vào lĩnh vực này.
7. Kết luận
Tình hình cung ứng graphite toàn cầu tương đối đảm bảo về mặt số lượng nhờ khả năng tổng hợp, nhưng vấn đề lớn nhất là sự tập trung cực kỳ cao về mặt địa lý. Trung Quốc hiện kiểm soát phần lớn chuỗi giá trị graphite, từ khai thác đến chế biến, tạo ra rủi ro an ninh cung ứng đáng kể cho cuộc cách mạng pin toàn cầu. Việc đa dạng hóa nguồn cung graphite cấp pin là ưu tiên hàng đầu để đảm bảo an ninh năng lượng trong quá trình chuyển đổi.
Các giải pháp như phát triển các dự án graphite tự nhiên mới, cải thiện quy trình sản xuất graphite tổng hợp, đẩy mạnh công nghệ tái chế và các chính sách hỗ trợ đều đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng chuỗi cung ứng graphite bền vững và an toàn. Sự phát triển của các công nghệ mới như anot silicon-graphite cũng có thể giúp giảm áp lực lên nguồn cung graphite trong tương lai.
Cuộc cách mạng pin toàn cầu phụ thuộc rất lớn vào việc đảm bảo nguồn cung nguyên liệu then chốt như graphite. Việc xây dựng chuỗi cung ứng đa dạng, bền vững và có khả năng chống chịu là điều kiện tiên quyết để đạt được mục tiêu về chuyển đổi năng lượng và giảm phát thải carbon trong những thập kỷ tới.
Tài liệu tham khảo
Benchmark Mineral Intelligence. (2023). Graphite market outlook Q4 2023: Supply, demand and price forecasts to 2035. Benchmark Mineral Intelligence.
International Energy Agency (IEA). (2023). Critical minerals market review 2023. https://www.iea.org/reports/critical-minerals-market-review-2023
Liu, Y., Chen, M., & Jones, B. (2024). Graphite supply chain risks and opportunities in the EV battery transition. Nature Energy, 9(1), 10-18.
Mayyas, A., Steward, D., & Mann, M. (2023). The case for recycling: Overview and challenges in the material supply chain for automotive li-ion batteries. Sustainable Materials and Technologies, 26, e00297.
U.S. Department of Energy. (2023). Critical materials assessment 2023: Supply chains for clean energy transition. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy.
U.S. Geological Survey (USGS). (2024). Mineral commodity summaries 2024: Graphite. U.S. Geological Survey.
Zhang, L., & Zhao, B. (2022). A comprehensive review of natural and synthetic graphite anodes for lithium-ion batteries. Journal of Energy Chemistry, 65, 220-242.
