El grafito es un material formado por átomos de carbono dispuestos en láminas planas que se asemejan a diseños hexagonales. En condiciones normales, es carbono puro, que se sabe muy bien que es bastante estable. El grafito es un material muy conductor de la electricidad y del calor, muy blando y de baja gravedad específica.
Tipos de grafito natural
Grafito en escamas
El material de carbono Se somete a altas presiones y temperaturas, lo que produce grafito en escamas natural. Estas escamas suelen ser copos de nieve en miniatura y se apilan muy fácilmente al deslizarse unas sobre otras, lo que hace que el grafito en escamas sea excelente para los lubricantes. También puede funcionar en baterías y celdas de combustible debido a su alta conductividad eléctrica.
Las empresas automovilísticas son los mayores consumidores de este tipo de grafito natural. En los últimos años, la demanda de grafito en escamas ha aumentado enormemente por parte de los fabricantes de vehículos eléctricos híbridos y de pilas de combustible.
Grafito de vena cristalina
Es como si tuviéramos vetas de grafito puro en una roca metamórfica. Cabe destacar que se trata de vetas de grafito cristalino con la más alta pureza (hasta 99% de carbono) y conductividad eléctrica. Es como un Superman de carbono reservado para aplicaciones de alta gama, como componentes del reactor nuclear y electrodos de rendimiento extremo.
El grafito de veta cristalina es un mineral poco común y valioso que se encuentra en China y Canadá. También se puede utilizar de manera similar al grafito en escamas por su rendimiento superior en operaciones que necesitan alta conductividad térmica y eléctrica.
Grafito amorfo
60-85% de grafito amorfo Contiene carbono fijo. Es la forma más común de grafito y se encuentra generalmente en rocas sedimentarias como el carbón y el esquisto.
El grafito amorfo es útil para múltiples propósitos, pero no en todos los escenarios.
Debido a la buena resistencia al calor de este mineral, se puede utilizar en la fabricación, donde a menudo se utiliza como crisol, molde, cucharón, canal o boquilla.
Por otra parte, existen numerosos electrodos para hornos metalúrgicos y revestimientos de altos hornos de hierro fabricados con grafito amorfo. China, México y Corea del Norte producen principalmente esta forma versátil.
Grafito natural vs grafito sintético
Grafito natural
El grafito natural proviene de procesos metamórficos que transforman la materia orgánica antigua en este mineral suave y estratificado.
Se presentan en una amplia gama de formas, desde el grafito en escamas grandes hasta el grafito cristalino puro en forma de veta. Según un ejercicio de evaluación comparativa realizado por un destacado profesional de ACV, un ánodo hecho de grafito natural contiene hasta 14 CO2 equivalente.
El grafito en escamas es excelente en lubricantes, revestimientos refractarios y lápices, mientras que el grafito cristalino muestra su destreza en reactores nucleares y electrodos de alto rendimiento. El grafito amorfo está presente en el carbón y el esquisto, lo que le otorga resistencia térmica a la fundición. Sin embargo, el grafito natural tiene sus peculiaridades.
La minería tiene consecuencias ambientales y las inestabilidades geopolíticas pueden afectar el suministro. Además, sus imperfecciones innatas, aunque por lo general insignificantes, a veces resultan problemáticas para determinados usos.
Grafito sintético
El grafito sintético se obtiene a partir de coque de petróleo o carbón y se somete a varios tratamientos a altas temperaturas y presiones. Mediante un proceso de alto consumo energético, el coque se vuelve a calentar a 2500-300 °C. El calor puede proceder de mecanismos de combustión de carbón o petróleo. Las emisiones de CO₂ son enormes debido a estos procesos.
Esta pureza implica una mejor conductividad eléctrica y estabilidad térmica, lo que resulta ideal para baterías de iones de litio, células solares, etc. Sin embargo, la creación de grafito sintético tiene un coste. Su proceso de producción, que requiere un uso intensivo de energía, genera importantes emisiones de carbono, lo que genera inquietudes sobre su huella ambiental. Además, su alto coste y la dependencia de combustibles fósiles plantean cuestiones de sostenibilidad.
Cómo se produce el grafito natural
El grafito se forma en rocas metamórficas debido a la reducción de compuestos de carbono sedimentarios durante la alteración. También se encuentra en meteoritos y rocas ígneas. Los minerales asociados al grafito incluyen cuarzo, calcita, micas y turmalina.
El grafito se encuentra junto con troilita y minerales de silicato en los meteoritos. La cliftonita se refiere a los pequeños cristales de grafito que se encuentran en el hierro meteorítico. Algunos granos pequeños parecen ser isotópicos y su composición indica que se originaron antes del Sistema Solar. Pertenecen a uno de los aproximadamente doce tipos conocidos de minerales que precedieron al Sistema Solar y que también se han encontrado en nubes moleculares.
Proceso de fabricación de grafito sintético
Con el proceso de transformación, hay una serie de pasos en la sinfonía que hace que algo sea materia prima, grafito sintético (SG-BAM), para batería de litio Materiales para ánodos. Cada paso es importante, ya que ayuda al grafito sintético a obtener sus características únicas y compatibilidad con los dispositivos de almacenamiento de energía. Ahora, exploremos la compleja danza de la fabricación:
Producción de coque de petróleo verde.
La producción de coque de petróleo verde a partir de aceites pesados utilizados para el craqueo catalítico o el refinamiento de gasolina será el primer paso. El primer precursor de carbono se utiliza para sintetizar grafito.
Calcinación
Durante la calcinación del coque de petróleo verde, se lleva a cabo un proceso de alta temperatura, de entre 1300 °C y 1400 °C. Cuando esta variación de temperatura elimina los materiales volátiles y los contaminantes del coque, se produce el coque de agujas. Este mayor nivel de contenido de carbono proporciona el prototipo perfecto para esa fase posterior.
Grafitización
A continuación, el coque de aguja se somete a temperaturas superiores a 2500 °C en un horno eléctrico para grafitizaciónLos átomos de carbono se reorganizan durante el sobrecalentamiento, lo que transforma el coque en grafito. La grafitización proporciona características más beneficiosas y mejora la conductividad de la sustancia de grafito.
Posprocesamiento
Se pueden utilizar otras técnicas de posprocesamiento después de la grafitización. Las baterías de iones de litio también se pueden moldear, clasificar o revestir para ofrecer una gran eficiencia y rendimiento de empaquetado. Otros usos pueden tener diferentes requisitos específicos de posprocesamiento..
Estructura del grafito
Acuerdo sobre el carbono
Imaginemos que un panal no está formado por cera, sino únicamente por átomos de carbono. La característica básica del grafito es su estructura atómica.
Cada átomo de carbono se une fuertemente a otros tres en una capa, lo que crea una red extremadamente fuerte. Cada carbono se ubica en el medio de un círculo de seis lados y forma muchas láminas hexagonales que se extienden indefinidamente.
Esta configuración se conoce como hibridación sp² y permite que cada átomo de carbono forme tres enlaces covalentes muy fuertes con sus vecinos más cercanos. Un electrón adicional puede recorrer toda la lámina.
Muchas de las peculiaridades del grafito dependen en gran medida de estos electrones libres.
Vinculación
A diferencia del diamante, donde cada átomo de carbono tiene cuatro enlaces fuertes que los mantienen unidos para crear una forma de caja rígida, las conexiones del grafito apuntan en una dirección.
Las fuerzas más débiles que mantienen unidas estas capas permiten que se deslicen como panqueques en una plancha.
Este vínculo único también revela la razón por la que el grafito puede conducir electricidad. Los electrones libres pueden fluir fácilmente a través de las láminas, por lo que es una buena opción para baterías y electrodos.
Comparación con otros alótropos.
A diferencia de la dureza del diamante, el grafito tiene capas que se pueden doblar fácilmente, lo que demuestra la variación que puede tener el carbono en cuanto a forma (alótropos).
Mientras que el diamante tiene una estructura tetraédrica en la que cada átomo de carbono en competencia se une a otros cuatro, la estructura hexagonal del grafito hace que tenga propiedades fundamentalmente diferentes.
Al observar el grafito y los fulerenos, el hecho de que un fulereno tenga una forma redondeada constituye su construcción de capas en los gráficos.
Propiedades del grafito
Propiedades físicas
Color y apariencia
El grafito se presenta en una variedad de colores, desde un aspecto metálico brillante hasta un gris oscuro. Su aspecto especial lo hace más atractivo y fácil de ver en diversas aplicaciones.
Este interesante color es una buena opción para los lápices, ya que hace que las imágenes y los dibujos parezcan más profundos y emocionantes.
Densidad y gravedad específica
El grafito es relativamente ligero a pesar de ser resistente. Sus numerosas capas y espacios abiertos lo mantienen a flote en el agua. También parece que pesa una pluma cuando lo tocas. Es perfecto para usos en los que el peso es fundamental, como piezas de aviones y equipamiento deportivo, porque no es pesado.
Puntos de fusión y ebullición
Aunque el grafito es perfecto para la conducción térmica, su temperatura de fusión oscila entre los 3500 °C aproximadamente. Esta alta temperatura de fusión es ideal para su uso en aplicaciones en las que se trabaja a altas temperaturas: objetos fabricados en fundiciones e incluso piezas de reactores nucleares. Es tan caliente que un lápiz se incendiaría si lo metiéramos en un volcán.
Conductividad (eléctrica y térmica)
Las propiedades conductoras de electricidad y calor del grafito están estrechamente relacionadas. Los electrones en movimiento en sus capas transmiten fácilmente calor y electricidad. Esto hace que sea un dispositivo fácil de recargar baterías, calentar cosas e incluso manejar pantallas táctiles. Piense en el desplazamiento de su teléfono: ese movimiento suave proviene de la conductividad del grafito.
Propiedades de lubricación
Las capas de grafito le permiten deslizarse entre las capas, siendo un excelente lubricante. También se utiliza en aplicaciones donde es importante un menor deslizamiento y un movimiento más suave. Es un gran material para cerraduras, ruedas e incluso lápices.
Propiedades químicas
Reactividad con el oxígeno
Cuando la temperatura supera los 700 grados, este material se desprende en capas y se convierte en dióxido de carbono. Esto ayuda a alimentar el fuego y a hacer funcionar grandes hornos que derriten cosas. Esta característica fortalece el material y dura en diferentes lugares, especialmente en el aire.
Reactividad con el oxígeno
El grafito, un componente normalmente tranquilo del mundo químico, puede tener problemas con el oxígeno cuando hace calor. Este material se desprende en capas y se convierte en dióxido de carbono cuando la temperatura supera los 700 grados. Esto enciende el combustible y alimenta grandes hornos que derriten cosas. Esta característica fortalece el material y dura en varios lugares, principalmente en el aire.
Resistencia a ácidos y bases
Sus robustos enlaces carbono-carbono y su disposición en capas son difíciles de romper por la mayoría de los ácidos y bases. Esto lo hace ideal para aplicaciones como revestimientos en reactores químicos e incluso contenedores que pueden contener metales calientes. Este elemento lo hace más adecuado en lugares peligrosos que ayudarían a utilizar una amplia gama de cosas.
Oxidación y corrosión
El grafito se transforma mucho cuando se calienta demasiado, pero, por lo general, en condiciones normales, este cambio se produce de forma lenta y constante. Se corroe o erosiona gradualmente con el tiempo. Con el tiempo, esto crea una fina capa de dióxido de carbono en su superficie creada por el oxígeno que lo rodea. Se trata de un proceso de desgaste lento; sin embargo, no puede cambiar las características principales que lo convierten en un material resistente y confiable.
Propiedades mecánicas
Fuerza y dureza
El grafito es muy resistente y duro, por lo que, cuando se utiliza, puede durar mucho tiempo. Tiene varias capas en su sólida estructura. Cada átomo de carbono está unido a otros dos en las láminas y, juntos, se mantienen resistentes bajo presión.
Flexibilidad y elasticidad
El diamante es duro y se rompe con mucha facilidad, pero la estructura única del grafito le permite doblarse extraordinariamente bien. El grafito puede estirarse y doblarse fácilmente, lo que hace que sea difícil romperlo en cualquier situación. También hay fuerzas débiles entre las láminas, lo que les permite doblarse y torcerse sin romperse. Es adecuado para juntas, grasas e incluso amortiguadores.
Naturaleza anisotrópica
El grafito no es un material común y corriente. Tiene propiedades que cambian según se empuje o se tire de él en distintas direcciones. Es sólido en las líneas, pero débil y se desliza fácilmente entre ellas. Esta característica "anisotrópica" es excelente para propósitos que requieren instrucciones detalladas en cualquier dirección, como brújulas y borradores eléctricos.
Propiedades térmicas
El grafito tiene una capacidad calorífica específica elevada, es decir, puede absorber mucho calor sin cambiar su temperatura de forma significativa. El grafito puede soportar altas temperaturas sin degradarse significativamente, lo que lo hace adecuado para aplicaciones térmicas. El grafito, a diferencia de la mayoría de los materiales, crece ligeramente al enfriarse y se contrae durante el calentamiento.
Propiedades eléctricas
El grafito es un conductor eléctrico y, por lo tanto, es adecuado para aplicaciones como electrodos de lámparas de arco. Puede transportar electricidad debido a la enorme deslocalización de electrones dentro de las capas de carbono (denominada aromaticidad). Se trata de electrones de valencia libre que pueden conducir electricidad.
Otras propiedades
- El grafito puede capturar neutrones de alta velocidad.
- El grafito tiene un punto de fusión muy alto, acercándose a la definición de un diamante.
- En condiciones normales, el grafito no reacciona con el agua. Sin embargo, a la temperatura adecuada, puede reaccionar y producir una mezcla de monóxido de carbono y gas hidrógeno.
Aplicaciones del grafito
- Lubricantes y Grasas
El grafito puede eliminar la fricción gracias a su capa hexagonal que se deposita sobre las superficies cuando reacciona con la humedad del aire. Las propiedades autolubricantes del grafito reducen en gran medida la fricción, lo que lo hace ideal para sistemas mecánicos, así como para motores y maquinaria industrial, ya que evita el desgaste.
- Baterías
El grafito es muy estable y conduce la electricidad, lo que lo hace ideal para su uso en baterías. También mejora su capacidad de almacenamiento y liberación de energía, lo que lo convierte en un componente esencial de las baterías para numerosas tecnologías de baterías.
- Refractarios
Los refractarios funcionan a altas temperaturas, por lo que el grafito es el material ideal para ello, ya que tiene temperaturas de ebullición y fusión extremadamente altas. Se utiliza en el sector manufacturero y ayuda a producir vidrio, acero y hierro.
- Componentes eléctricos
El grafito tiene una conductividad eléctrica excepcional, lo que lo hace esencial en varios componentes electronicos. Entre ellos se encuentran los electrodos y los cepillos, ya que mediante su uso muchos dispositivos electrónicos consiguen resultados fiables y una productividad eficiente durante mucho tiempo.
- Industria nuclear
Una de las propiedades del grafito es su capacidad de atrapar neutrones de alta velocidad, lo que lo hace adecuado para estabilizar las reacciones nucleares. El grafito puede soportar altas temperaturas y funciona como moderador de neutrones, lo que es de gran importancia para los reactores nucleares.
- Láminas de grafeno
El grafito se utiliza para fabricar grafeno, que es más ligero y resistente que las láminas de acero. A su vez, estas láminas se pueden utilizar para fabricar equipamiento deportivo.
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Conclusión
Con base en la discusión anterior, podemos ver que el grafito es uno de los elementos más utilizados en nuestro planeta y será necesario para ayudarnos aún más a medida que pase el tiempo.
Preguntas frecuentes
- ¿Qué pasa si quiero saber el costo del grafito?
Los precios del grafito se ven afectados por una variedad de factores, no solo por la oferta y la demanda del mercado, sino también por los diferentes tipos de grafito. El precio del grafito en escamas pequeñas es de $1000-$2000/t, y el precio del grafito natural de alta gama es de $3000-$6000/t. Si desea obtener más información sobre la situación de los precios, comuníquese directamente con Eastcarb y le proporcionaremos una tabla de cotización detallada.
- ¿Cómo almacenar el grafito para conservar su naturaleza?
Aunque el grafito es estable por naturaleza, siempre se debe prestar atención al almacenamiento del mismo. Lo primero es controlar la temperatura y la humedad, colocarlo en un lugar seco y evitar las altas temperaturas y los cambios bruscos de temperatura. Luego también es necesario mantener ventilada la sala de almacenamiento para evitar la acumulación de humedad. Por último, los diferentes tipos de grafito deben almacenarse de forma aislada para evitar su deterioro. Básicamente, siguiendo las sugerencias anteriores, se puede mantener bien la calidad del grafito.
- ¿Cuáles son los mercados emergentes más recientes para el grafito?
La aparición de nuevos mercados está creando más oportunidades para los proveedores de grafito y sus industrias upstream y downstream, con mercados emergentes recientes como Mozambique, Tanzania, Australia, Pakistán, Egipto y muchos países de África occidental.
- ¿A qué debo prestar atención al procesar grafito?
El polvo de grafito puede afectar su salud en algunos casos, por lo que es necesario tomar precauciones para evitar inhalar el polvo durante los procesos industriales.
- ¿Cómo aumentar el rendimiento del grafito?
Por lo general, podemos tratar su superficie para aumentar su resistencia, resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica. Los métodos específicos incluyen materiales de recubrimiento por pulverización, tratamiento químico (limpieza ácida o alcalina), tratamiento térmico, mecanizado, tratamiento de impregnación, etc.
