Künstlicher Graphit

Elektrochemische Leistung
Im Vergleich zu natürlichem Graphit kann künstlicher Graphit nicht nur seine Qualität und Struktur strenger kontrollieren, sondern weist auch eine bessere elektrochemische Leistung auf. Als gängiges Batteriematerial wurde Graphit schon immer bevorzugt. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt von Wissenschaft und Technologie können Menschen jedoch natürlichen Graphit zerkleinern und dann künstlichen Graphit durch chemische oder physikalische Prozesse verarbeiten. Daher hat es als Batteriematerial ein breites Anwendungsspektrum und gilt als sehr vielversprechendes alternatives Material.

Kundenspezifisches Design
Außerdem können Struktur und Morphologie angepasst werden, um ein maßgeschneidertes Design zu erzielen, das den Leistungsanforderungen verschiedener Anwendungsszenarien gerecht wird. Durch die Feinsteuerung der Mikrostruktur können beispielsweise verschiedene Arten von Batteriematerialien wie Superkondensatoren, Energiespeichermaterialien und Lithium-Ionen-Batterien daraus hergestellt werden. Diese Eigenschaft macht künstlichen Graphit zu einem heißen Thema auf dem Gebiet der Batteriematerialforschung.

Hohe elektrische Leitfähigkeit
Es handelt sich um ein Material aus natürlichem Graphit, das durch Hochtemperatursintern seine Kristallstruktur ändert und ein Material mit hoher Leitfähigkeit, Hochtemperaturstabilität und hoher struktureller Steuerbarkeit bildet. Es wird in vielen Bereichen eingesetzt, am häufigsten jedoch in Batterien. Künstlicher Graphit wird in modernen Batterien hauptsächlich auf negativen Platten verwendet, um Ionen in der negativen Elektrode zu speichern und freizugeben, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Im Vergleich zu natürlichem Graphit ist es reiner, hat eine höhere Leitfähigkeit und eine homogenere Struktur, was die Leistung und Lebensdauer der Batterie verbessert.

Elektrische Leitfähigkeit von künstlichem Graphit
Dass künstlicher Graphit elektrisch leitfähig ist, resultiert aus seinem Atomaufbau. Jedes Kohlenstoffatom in einem künstlichen Graphitkristall besitzt vier Valenzelektronen, auch Außenelektronen genannt, die Bindungen mit Nachbaratomen bilden können. Allerdings gehen nur drei der vier Valenzelektronen eine Bindung ein, während das vierte Elektron frei beweglich bleibt und so die Stromleitung ermöglicht.

Wärmeleitfähigkeit von künstlichem Graphit
Künstlicher Graphit besitzt eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Temperaturbeständigkeit. Künstlicher Graphit hat keinen Schmelzpunkt, er geht vom festen Zustand direkt in den gasförmigen Zustand über. Dieser Vorgang wird Sublimation genannt. In einer Schutzgasatmosphäre wird künstlicher Graphit ab einer Temperatur von 2500 Grad plastisch verformbar. Bei Temperaturen über 3750 Grad sublimiert künstlicher Graphit auch ohne Anwesenheit von Sauerstoff.

Chemische Beständigkeit von künstlichem Graphit
Künstlicher Graphit ist einer der chemisch beständigsten Werkstoffe. Er ist beständig gegen nahezu alle Medien der organischen Chemie. Dazu zählen typischerweise die Zwischen- und/oder Endprodukte in der Petrochemie, Kohleveredelung, Kunststoffindustrie, der Herstellung von Farben, Lacken, Kältemitteln und Frostschutzmitteln, aber auch in der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie. Künstlicher Graphit ist zudem beständig gegen die meisten anorganischen Medien, wie etwa nichtoxidierende Säuren, Laugen, wässrige Salzlösungen und die meisten technischen Gase.

Zusammensetzung
Künstlicher Graphit:Künstlicher Graphit wird durch Hochtemperaturverarbeitung aus kohlenstoffhaltigem Ausgangsmaterial hergestellt und weist eine hochgeordnete Atomstruktur auf. Sein Reinheitsgrad liegt bei über 99 % Kohlenstoff, die verbleibenden Verunreinigungen bestehen hauptsächlich aus Asche und flüchtigen Stoffen.
Natürlicher Graphit:Natürlicher Graphit wird aus natürlich vorkommenden Mineralvorkommen gewonnen und entsteht durch die Metamorphose von organischem Material. Er besteht aus unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten, die normalerweise zwischen 15 % und 95 % liegen. Die restliche Zusammensetzung besteht aus Verunreinigungen wie Asche, Schwefel und Spurenelementen.

Fertigungsverfahren
Künstlicher Graphit:Bei der Herstellung von künstlichem Graphit werden kohlenstoffhaltige Materialien wie Petrolkoks oder Kohlenteerpech bei Temperaturen von über 2.500 Grad graphitiert. Dieser Prozess ermöglicht die Ausrichtung der Kohlenstoffatome, wodurch eine hochkristalline Struktur mit hervorragender thermischer und elektrischer Leitfähigkeit entsteht.
Natürlicher Graphit:Natürlicher Graphit wird aus Minen oder Steinbrüchen gewonnen und durchläuft mehrere mechanische und chemische Behandlungen, um seine Qualität zu verbessern. Zu diesen Prozessen gehören Mahlen, Flotation, Reinigung und Mikronisierung, wodurch Verunreinigungen entfernt und Partikelgröße und -verteilung angepasst werden können.

Physikalische und chemische Eigenschaften
Künstlicher Graphit:Künstlicher Graphit besitzt im Vergleich zu seinem natürlichen Gegenstück überlegene physikalische Eigenschaften. Er weist eine hohe Dichte, geringe Porosität und eine bemerkenswerte thermische und elektrische Leitfähigkeit auf. Darüber hinaus bietet künstlicher Graphit eine hervorragende Beständigkeit gegen chemische Korrosion und ist daher für anspruchsvolle Anwendungen geeignet.
Natürlicher Graphit:Natürlicher Graphit weist eine geringere Dichte, eine höhere Porosität und eine mäßige thermische und elektrische Leitfähigkeit auf. Seine Eigenschaften können je nach Herkunft und eingesetzten Verarbeitungstechniken variieren. Obwohl er möglicherweise nicht das gleiche Leistungsniveau wie künstlicher Graphit hat, wird natürlicher Graphit dennoch in verschiedenen Branchen häufig eingesetzt.

Anwendungen
Künstlicher Graphit:Aufgrund seiner außergewöhnlichen Eigenschaften wird künstlicher Graphit in der modernen Industrie häufig verwendet. Er ist ein wesentlicher Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien, da er deren Energiedichte erhöht und ihre Lebensdauer verlängert. Künstlicher Graphit wird auch in Hochtemperaturanwendungen wie Tiegeln, Elektroden und Heizelementen eingesetzt.
Natürlicher Graphit:Natürlicher Graphit findet in verschiedenen Bereichen Anwendung. Aufgrund seiner selbstschmierenden Eigenschaften wird er häufig als Schmiermittel verwendet. Darüber hinaus wird natürlicher Graphit in der Stahl- und Automobilindustrie für Tiegel, Gießereibeschichtungen, Bremsbeläge und Dichtungen eingesetzt. Er dient auch als Anodenmaterial in Alkalibatterien und als Moderator in Kernreaktoren.

Pulver- und Pastenherstellung
Rohstoffe für die Herstellung von künstlichem Graphit (Petrolkoks, Pechkoks, Ruß, natürlicher Graphit und Sekundärgraphitschrott) werden in Rohstoffsilos geladen und gelagert. Zunächst werden die Rohstoffe in Brechern und Kugelmühlen gemahlen. Das resultierende Pulver wird dann entsprechend der Partikelgrößenverteilung konditioniert. Schließlich wird das Pulver mit einem Bindemittel vermischt, um eine Paste herzustellen. Als Bindemittel werden Kohlenteerpech oder Petroleumpech verwendet.

Formgebung
Die resultierende pastöse Mischung kann mithilfe einer der Formgebungstechniken verdichtet werden: Extrusion, Vibrationsformen oder kaltisostatisches Pressen.
● Beim Extrudieren wird die pastöse Mischung durch eine Düse mit einer Öffnung gepresst. Beim Extrudieren entsteht ein langes Produkt wie Stäbe, Stangen, lange Platten oder Rohre mit regelmäßigem Querschnitt, die in Stücke der gewünschten Länge geschnitten werden können. Extrudierte Graphitmaterialien sind isotrop. Die Eigenschaften in Extrusionsrichtung unterscheiden sich von den Eigenschaften in anderen Richtungen.
● Vibrationsformen ist ein diskontinuierliches Formgebungsverfahren für Produkte mit großen Abmessungen. Eine Form wird mit der pastösen Mischung gefüllt und eine schwere Metallplatte darauf gelegt. Anschließend wird das Material durch Vibration der Form verdichtet. Die geformten Körper weisen im Vergleich zu extrudierten Materialien einen höheren Grad an Isotropie auf.
● Kaltisostatisches Pressen ist eine Pulververdichtungsmethode, die bei Raumtemperatur durchgeführt wird und bei der Druck aus mehreren Richtungen durch ein flüssiges Medium ausgeübt wird, das das verdichtete Teil umgibt. Es wird eine flexible Form verwendet, die in ein unter Druck stehendes flüssiges Medium getaucht ist. Materialien mit gleichmäßiger anisotroper Struktur werden durch das isostatische Pressverfahren hergestellt.

Backen
Die verdichteten Teile werden in einem anaeroben Brennofen bei Temperaturen zwischen 900 und 1200 Grad (1650 und 2200 Grad F) wärmebehandelt. Während des Brennens kommt es zur Karbonisierung. Dabei wird das Bindemittel thermisch in elementaren Kohlenstoff und flüchtige Bestandteile zersetzt. Der im Karbonisierungsprozess gebildete Kohlenstoff bindet die Pulverpartikel. Das Volumen des Bindemittels ist größer als das Volumen des gebildeten Kohlenstoffs. Daher führt die Karbonisierung zur Bildung von Poren. Das gesamte relative Porositätsvolumen wird durch die Bindemittelmenge bestimmt.

Pechimprägnierung
An diesem Punkt des Prozesses können die Kohlenstoffteile mit Pech imprägniert und erneut gebrannt werden, um ihre Porosität zu verringern. Die Imprägnierung wird normalerweise mit einem Pech durchgeführt, dessen Viskosität geringer ist als die des ursprünglichen Bindemittelpechs. Eine niedrige Viskosität ist erforderlich, um Lücken vollständiger zu füllen. Normalerweise wird hierfür Petroleumpech verwendet. Bei einigen hochdichten Graphitsorten können die Kohlenstoffteile den Zyklus aus Backen, Pechimprägnierung und erneutem Backen mehrere Male durchlaufen.

Graphitierung
In diesem Stadium werden die geformten, gebrannten, mit Pech imprägnierten und erneut gebrannten Teile in einer anaeroben Umgebung bei einer extrem hohen Temperatur von 2700 bis 3000 Grad (4900 bis 5450 Grad F) wärmebehandelt. Bei der Graphitisierung kommt es zur Kristallisation von amorphem Vorläuferkohlenstoff, der sich in kristallinen Graphit verwandelt. Unter dem Einfluss der Temperatur wachsen die Kristallite und ordnen sich in einem geordneten Muster aus gestapelten parallelen Ebenen neu an. Diese Umwandlung geht mit einer Änderung der physikalischen Eigenschaften des Materials einher. Während dieser Hochtemperaturbehandlung wird Graphit auch gereinigt, da die meisten seiner Verunreinigungen (Bindemittelrückstände, Gase, Oxide, Schwefel) verdampfen.

Qualitätskontrollen
Die graphitierten Artikel durchlaufen vor ihrer Auslieferung eine Reihe von Tests und Kontrollen. In diesem Stadium weist das resultierende Graphitmaterial bereits eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf. Es ist jedoch hochporös und daher keineswegs undurchlässig.

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