Grafit adalah material yang terdiri dari atom-atom karbon yang tersusun dalam lembaran datar yang menyerupai desain heksagonal. Dalam kondisi normal, grafit adalah karbon murni, yang dikenal sangat stabil. Grafit sangat konduktif secara listrik dan termal, sangat lunak dengan berat jenis rendah.
Jenis-jenis Grafit Alami
Grafit Serpihan
Itu bahan karbon mengalami tekanan dan suhu tinggi, sehingga menghasilkan grafit serpihan alami. Serpihan-serpihan ini sering kali berupa kepingan salju mini dan dapat ditumpuk dengan sangat mudah saat meluncur satu sama lain, sehingga grafit serpihan sangat baik untuk pelumas. Grafit ini juga dapat berfungsi dalam baterai dan sel bahan bakar karena konduktivitas listriknya yang tinggi.
Perusahaan mobil merupakan konsumen terbesar grafit alami jenis ini. Selama beberapa tahun terakhir, permintaan grafit serpih dari produsen mobil hibrida listrik dan sel bahan bakar telah meningkat pesat.
Grafit Vena Kristalin
Seolah-olah kita memiliki urat grafit murni dalam batuan metamorf. Yang penting, ini adalah grafit urat kristal dengan kemurnian tertinggi (hingga karbon 99%) dan konduktivitas listrik. Ini seperti Superman karbon yang disimpan untuk aplikasi tingkat tinggi seperti komponen dalam reaktor nuklir dan elektroda kinerja ekstrem.
Grafit urat kristal merupakan mineral langka dan berharga yang ditemukan di Cina dan Kanada. Grafit ini juga dapat digunakan serupa dengan grafit serpihan karena kinerjanya yang unggul dalam operasi yang memerlukan konduktivitas termal dan listrik yang tinggi.
Grafit Amorf
60-85% dari grafit amorf mengandung karbon tetap. Ini adalah bentuk grafit yang paling umum, biasanya ditemukan di batuan sedimen seperti batu bara dan serpih.
Grafit amorf berguna untuk banyak tujuan tetapi tidak dalam setiap skenario.
Karena mineral ini memiliki ketahanan panas yang baik, maka dapat digunakan dalam bidang manufaktur, yang sering digunakan sebagai wadah peleburan, cetakan, sendok sayur, palung, atau nosel.
Di sisi lain, terdapat banyak elektroda tungku metalurgi dan lapisan tungku sembur besi yang terbuat dari grafit amorf. Bentuk serbaguna ini sebagian besar diproduksi oleh Tiongkok, Meksiko, dan Korea Utara.
Grafit Alami vs Grafit Sintetis
Grafit Alami
Grafit Alami berasal dari proses metamorf yang mengubah bahan organik purba menjadi mineral lunak berlapis.
Mereka muncul dalam berbagai bentuk, dari grafit serpihan besar hingga kristal murni urat. Menurut latihan pembandingan dari praktisi LCA terkemuka, anoda yang terbuat dari grafit alami memiliki suhu hingga 14 CO2 setara.
Grafit serpihan sangat bagus untuk pelumas, pelapis tahan api, dan pensil, sementara grafit kristal menunjukkan kehebatannya pada reaktor nuklir dan elektroda berkinerja tinggi. Grafit amorf terdapat dalam batu bara dan serpih, sehingga memberikan ketahanan panas pada pengecoran. Meskipun demikian, grafit alami memiliki kekhasannya sendiri.
Penambangan memiliki konsekuensi lingkungan, dan ketidakstabilan geopolitik dapat mengganggu pasokan. Lebih jauh, ketidaksempurnaan bawaannya, meskipun biasanya tidak signifikan, terkadang menyusahkan untuk penggunaan tertentu.
Grafit Sintetis
Grafit sintetis dibuat dari kokas minyak bumi atau batu bara dan mengalami beberapa perlakuan pada suhu dan tekanan tinggi. Melalui proses yang membutuhkan banyak energi, kokas dipanaskan lagi hingga 2500-300°C. Panas dapat berasal dari mekanisme pembakaran batu bara atau minyak. Emisi CO₂ sangat besar akibat proses ini.
Kemurnian ini berarti konduktivitas listrik dan stabilitas termal yang lebih baik, yang paling cocok untuk baterai lithium-ion, sel surya, dll. Namun, pembuatan grafit sintetis memerlukan biaya. Proses produksinya yang boros energi menghasilkan emisi karbon yang signifikan, sehingga menimbulkan kekhawatiran tentang jejak lingkungannya. Selain itu, biayanya yang tinggi dan ketergantungannya pada bahan bakar fosil menimbulkan pertanyaan tentang keberlanjutan.
Bagaimana Grafit Alami Terbentuk
Grafit terbentuk dalam batuan metamorf akibat terjadinya reduksi senyawa karbon sedimen selama alterasi. Grafit juga ditemukan dalam meteorit dan batuan beku. Mineral terkait grafit meliputi kuarsa, kalsit, mika, dan turmalin.
Grafit ditemukan bersama dengan troilite dan mineral silikat dalam meteorit. Kliftonit mengacu pada kristal grafit kecil yang ditemukan dalam besi meteorit. Beberapa butiran kecil tampaknya bersifat isotopik, dan komposisinya menunjukkan bahwa mereka berasal sebelum Tata Surya. Mereka termasuk dalam salah satu dari sekitar dua belas jenis mineral yang diketahui yang ada sebelum Tata Surya dan juga telah ditemukan di awan molekuler.
Proses Pembuatan Grafit Sintetis
Dengan proses transformasi, ada serangkaian langkah dalam simfoni yang membuat sesuatu menjadi bahan mentah, grafit sintetis (SG-BAM), untuk baterai litium bahan anoda. Setiap langkah penting, karena membantu grafit sintetis memperoleh karakteristik unik dan kompatibilitasnya dengan perangkat penyimpanan energi. Sekarang, mari kita jelajahi proses manufaktur yang rumit:
Produksi Kokas Minyak Hijau.
Produksi kokas minyak bumi hijau dari minyak berat yang digunakan untuk perengkahan katalitik atau penyulingan bensin akan menjadi langkah pertama. Prekursor karbon pertama digunakan dalam sintesis grafit.
Kalsinasi
Selama kalsinasi kokas minyak bumi hijau, proses suhu tinggi berlangsung pada suhu sekitar 1300°C hingga 1400°C. Ketika ekskursi panas ini menghilangkan bahan-bahan yang mudah menguap dan kontaminan dari kokas, kokas jarum diproduksi. Kandungan karbon yang lebih tinggi ini menyediakan prototipe yang sempurna untuk fase berikutnya.
Grafitisasi
Kokas jarum kemudian dikenakan suhu lebih dari 2500°C dalam tungku listrik selama grafitasiAtom karbon akan tersusun ulang selama pemanasan berlebih, yang mengubah kokas menjadi grafit. Grafitisasi memberikan fitur yang lebih bermanfaat dan meningkatkan konduktivitas zat grafit.
Pasca-Pemrosesan
Teknik pasca-pemrosesan lainnya dapat digunakan setelah grafitasi. Baterai Li-ion juga dapat dibentuk, diklasifikasikan, atau dilapisi untuk memberikan efisiensi dan kinerja pengemasan yang baik. Penggunaan lainnya mungkin memiliki persyaratan pasca-pemrosesan khusus yang berbeda..
Struktur Grafit
Pengaturan Karbon
Bayangkan sarang lebah yang tidak terdiri dari lilin, tetapi hanya atom karbon. Karakteristik dasar grafit adalah struktur atomnya.
Setiap atom karbon terikat kuat dengan tiga atom karbon lainnya dalam satu lapisan; ini menciptakan jaringan yang sangat kuat. Setiap karbon terletak di tengah lingkaran bersisi enam dan membentuk banyak lembaran heksagonal yang terus menerus terbentuk.
Konfigurasi ini dikenal sebagai hibridisasi sp² dan memungkinkan setiap atom karbon membentuk tiga ikatan kovalen yang sangat kuat dengan tetangga dekatnya. Satu elektron tambahan dapat bergerak melalui seluruh lembaran.
Banyak kekhasan grafit sangat bergantung pada elektron bebas ini.
Ikatan
Tidak seperti berlian, di mana setiap atom karbon memiliki empat ikatan kuat yang menyatukannya untuk menciptakan bentuk kotak yang kaku, sambungan grafit mengarah ke satu arah.
Kekuatan yang lebih lemah yang menyatukan lapisan-lapisan ini memungkinkan mereka meluncur seperti panekuk di atas wajan.
Hubungan unik ini juga mengungkap alasan mengapa grafit dapat menghantarkan listrik. Elektron bebas dapat mengalir dengan mudah melalui lembaran, sehingga menjadi pilihan yang baik untuk baterai dan elektroda.
Perbandingan dengan Alotrop Lainnya.
Berbeda dengan kekerasan berlian, grafit memiliki lapisan yang mudah ditekuk. Hal ini menunjukkan variasi bentuk atau wujud karbon (alotrop).
Sementara berlian tersusun secara tetrahedral di mana setiap atom karbon yang bersaing terhubung dengan empat atom karbon lainnya, struktur heksagonal grafit membuatnya memiliki sifat-sifat yang berbeda secara mendasar.
Dalam mengamati grafit dan fullerene, fakta bahwa fullerene memiliki bentuk bulat membentuk konstruksi lapisannya dalam grafis.
Sifat-sifat Grafit
Sifat Fisik
Warna dan Penampilan
Grafit muncul dalam berbagai warna, dari warna metalik terang hingga abu-abu gelap. Penampilannya yang istimewa membuatnya lebih menarik dan mudah dilihat dalam berbagai aplikasi.
Warna yang menarik ini merupakan pilihan yang baik untuk pensil, karena membuat gambar dan sketsa terlihat lebih dalam dan lebih menarik.
Kepadatan dan Berat Jenis
Grafit relatif ringan meskipun kuat. Banyaknya lapisan dan ruang terbuka membuatnya tetap mengapung di air. Grafit juga terasa seperti sehelai bulu saat disentuh. Sempurna untuk penggunaan yang beratnya sangat penting, seperti bagian pesawat terbang dan peralatan olahraga, karena tidak berat.
Titik Leleh dan Titik Didih
Meskipun grafit sangat cocok untuk konduksi termal, suhu lelehnya berkisar sekitar 3500°C. Suhu leleh yang tinggi ini ideal untuk digunakan dalam aplikasi panas – barang-barang yang diproduksi di pabrik pengecoran dan bahkan bagian-bagian reaktor nuklir. Begitu panasnya sehingga pensil akan terbakar jika Anda menaruhnya di gunung berapi.
Konduktivitas (Listrik dan Termal)
Sifat konduktif listrik dan panas dari grafit saling terkait erat. Elektron yang bergerak di lapisannya dengan mudah menghantarkan panas dan listrik. Hal ini membuatnya menjadi perangkat yang mudah untuk mengisi ulang baterai, memanaskan benda, dan bahkan menyentuh layar. Bayangkan gerakan menggulir pada ponsel Anda; gerakan halus itu berasal dari konduktivitas grafit.
Properti Pelumasan
Lapisan grafit memungkinkannya meluncur di antara lapisan, menjadi pelumas yang sangat baik. Grafit juga digunakan dalam aplikasi yang mengutamakan gerakan yang lebih halus dan tidak licin. Grafit merupakan material yang bagus untuk kunci, roda, dan bahkan pensil.
Sifat Kimia
Reaktivitas dengan Oksigen
Bila suhunya lebih dari 700 derajat, material ini akan terkelupas berlapis-lapis dan berubah menjadi karbon dioksida. Ini membantu menyalakan api dan menyalakan tungku besar yang melelehkan benda. Fitur ini memperkuat material dan bertahan di berbagai tempat, terutama di udara.
Reaktivitas dengan Oksigen
Grafit, bagian dunia kimia yang biasanya tenang, dapat mengalami masalah dengan oksigen saat keadaan panas. Material ini terkelupas berlapis-lapis dan berubah menjadi karbon dioksida saat suhunya lebih dari 700 derajat. Ini menyalakan bahan bakar dan menggerakkan tungku besar yang melelehkan berbagai benda. Fitur ini memperkuat material dan bertahan di berbagai lokasi, terutama di sekitar udara.
Ketahanan terhadap Asam dan Basa
Ikatan karbon-karbonnya yang kuat dan susunannya yang berlapis-lapis sulit diputus oleh sebagian besar asam dan basa. Hal ini membuatnya ideal untuk aplikasi seperti pelapis dalam reaktor kimia dan bahkan wadah yang dapat menampung logam yang dipanaskan. Unsur ini membuatnya lebih cocok di tempat-tempat berbahaya yang akan membantu penggunaan berbagai macam benda.
Oksidasi dan Korosi
Grafit banyak berubah saat menjadi sangat panas, tetapi secara umum, dalam kondisi normal, perubahan ini terjadi secara perlahan dan stabil. Grafit secara bertahap mengalami korosi atau erosi seiring waktu. Seiring waktu, hal ini menciptakan lapisan tipis karbon dioksida di permukaannya yang terbentuk oleh oksigen di sekitarnya. Ini adalah proses keausan yang lambat; namun, hal ini tidak dapat mengubah fitur utama yang menjadikannya material yang kuat dan andal.
Sifat Mekanik
Kekuatan dan Kekerasan
Grafit sangat kuat dan keras, sehingga dapat bertahan lama saat digunakan. Grafit memiliki beberapa lapisan dalam strukturnya yang kuat. Setiap atom karbon terikat pada dua atom karbon lainnya dalam lembaran, dan bersama-sama, keduanya tetap kuat di bawah tekanan.
Fleksibilitas dan Elastisitas
Berlian memang keras dan sangat mudah pecah, tetapi struktur grafit yang unik membuatnya dapat ditekuk dengan sangat baik. Grafit dapat dengan mudah meregang dan menekuk, sehingga sulit patah dalam situasi apa pun. Terdapat pula gaya yang lemah di antara lembaran, sehingga memungkinkannya untuk ditekuk dan dipelintir tanpa patah. Grafit cocok untuk gasket, gemuk, dan bahkan penyangga guncangan.
Sifat Anisotropik
Grafit bukanlah material biasa. Grafit memiliki sifat yang berubah tergantung pada apakah Anda mendorong atau menarik ke berbagai arah. Grafit padat di sepanjang garis tetapi lemah dan mudah bergeser di antara keduanya. Karakteristik "Anisotropik" ini sangat bagus untuk keperluan yang memerlukan petunjuk terperinci di satu arah, seperti kompas dan penghapus elektrik.
Sifat Termal
Grafit memiliki kapasitas kalor jenis yang tinggi, yaitu dapat menyerap banyak kalor tanpa mengubah suhunya secara signifikan. Grafit dapat menahan suhu tinggi tanpa degradasi yang signifikan, sehingga cocok untuk aplikasi panas. Berbeda dengan kebanyakan material, grafit sedikit mengembang saat didinginkan dan menyusut saat dipanaskan.
Sifat Listrik
Grafit merupakan konduktor listrik dan, oleh karena itu, baik untuk keperluan seperti elektroda lampu busur. Grafit dapat mengalirkan listrik karena delokalisasi elektron yang sangat besar di dalam lapisan karbon (disebut aromatisitas). Ini adalah elektron valensi bebas yang dapat menghantarkan listrik.
Properti Lainnya
- Grafit dapat menangkap neutron berkecepatan tinggi.
- Grafit memiliki titik leleh yang sangat tinggi, mendekati definisi berlian.
- Dalam kondisi normal, grafit tidak bereaksi dengan air. Namun, pada suhu yang tepat, grafit dapat bereaksi menghasilkan campuran karbon monoksida dan gas hidrogen.
Aplikasi Grafit
- Pelumas dan Gemuk
Grafit dapat menghilangkan gesekan karena lapisan heksagonalnya yang menempel pada permukaan saat bereaksi dengan uap air di udara. Kemampuan grafit dalam melumasi sendiri mengurangi gesekan secara signifikan, sehingga ideal untuk sistem mekanis serta mesin dan permesinan industri dengan mencegah keausan.
- Baterai
Grafit sangat stabil dan menghantarkan listrik sehingga paling cocok digunakan dalam baterai. Grafit juga meningkatkan kemampuan penyimpanan dan pelepasan energinya, sehingga menjadikannya bagian penting dari baterai untuk berbagai teknologi baterai.
- Bahan Tahan Api
Refraktori bekerja pada suhu tinggi yang menjadikan grafit sebagai pilihan terbaik karena memiliki suhu didih dan titik leleh yang sangat tinggi. Grafit digunakan di sektor manufaktur dan membantu memproduksi kaca, baja, dan besi.
- Komponen Listrik
Grafit memiliki konduktivitas listrik yang luar biasa, sehingga sangat penting dalam berbagai komponen elektronik. Termasuk elektroda dan sikat karena, melalui penggunaannya, banyak peralatan elektronik mencapai hasil yang andal dan produktivitas yang efisien dalam jangka waktu lama.
- Industri Nuklir
Salah satu sifat grafit adalah kemampuannya menangkap neutron berkecepatan tinggi yang membuatnya cocok untuk menstabilkan reaksi nuklir. Grafit dapat menahan suhu tinggi dan berfungsi sebagai moderator neutron, yang sangat penting bagi reaktor nuklir.
- Lembaran Grafena
Grafit digunakan untuk membuat graphene yang lebih ringan dan kuat dibandingkan dengan lembaran baja. Sebagai gantinya, lembaran ini dapat digunakan untuk membuat peralatan olahraga.
Untuk mengetahui lebih lanjut tentang penggunaan Grafit, silakan cek disini.
Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan di atas, kita dapat melihat bahwa grafit adalah salah satu benda yang paling sering digunakan di planet kita dan akan terus dibutuhkan untuk membantu kita seiring berjalannya waktu.
Tanya Jawab Umum
- Bagaimana jika saya ingin mengetahui biaya grafit?
Harga grafit dipengaruhi oleh berbagai faktor, tidak hanya oleh permintaan dan penawaran pasar tetapi juga oleh berbagai jenis grafit. Harga grafit serpihan kecil adalah $1000-$2000/t, dan harga grafit alam kelas atas adalah $3000-$6000/t, jika Anda ingin mengetahui lebih lanjut tentang situasi harga, hubungi Eastcarb secara langsung, dan kami akan memberikan Anda tabel penawaran harga terperinci.
- Bagaimana cara menyimpan grafit agar tetap terjaga sifatnya?
Meskipun grafit bersifat stabil, Anda harus selalu memperhatikan cara penyimpanan grafit. Hal pertama yang harus dilakukan adalah mengontrol suhu dan kelembapan, menaruhnya di tempat yang kering, dan menghindari suhu tinggi serta perubahan suhu yang drastis. Kemudian, ruang penyimpanan juga harus berventilasi agar tidak terjadi penumpukan uap air. Terakhir, berbagai jenis grafit harus disimpan secara terpisah untuk menghindari kerusakan. Pada dasarnya, dengan mengikuti saran-saran di atas, kualitas grafit dapat terjaga dengan baik.
- Apa saja pasar grafit yang sedang berkembang saat ini?
Munculnya pasar-pasar baru menciptakan lebih banyak peluang bagi pemasok grafit dan industri hulu dan hilirnya, dengan pasar-pasar baru yang sedang berkembang meliputi Mozambik, Tanzania, Australia, Pakistan, Mesir, dan banyak negara Afrika Barat.
- Apa yang harus saya perhatikan saat memproses grafit?
Debu grafit dapat memengaruhi kesehatan Anda dalam beberapa kasus, jadi Anda perlu mengambil tindakan pencegahan untuk menghindari menghirup debu selama proses industri.
- Bagaimana cara meningkatkan kinerja grafit?
Biasanya, kita dapat melakukan perawatan permukaan untuk meningkatkan ketahanan, ketahanan korosi, dan konduktivitas listriknya. Metode khusus meliputi bahan pelapis semprot, perawatan kimia (pembersihan asam atau basa), perawatan panas, pemesinan, perawatan impregnasi, dll.
