Grafito artificial

Rendimiento electroquímico
En comparación con el grafito natural, el grafito artificial no solo puede controlar su calidad y estructura de manera más estricta, sino que también tiene un mejor rendimiento electroquímico. Como material común para baterías, el grafito siempre ha sido el favorito. Sin embargo, con el avance continuo de la ciencia y la tecnología, las personas pueden triturar el grafito natural y luego procesar el grafito artificial a través de procesos químicos o físicos. Por lo tanto, como material para baterías, tiene una amplia gama de perspectivas de aplicación y se lo conoce como un material alternativo con mucho potencial.

Diseño personalizado
También puede ajustar la estructura y la morfología para lograr un diseño personalizado que cumpla con los requisitos de rendimiento de diferentes escenarios de aplicación. Por ejemplo, al controlar con precisión su microestructura, puede convertirse en diferentes tipos de materiales para baterías, como supercondensadores, materiales de almacenamiento de energía y baterías de iones de litio. Esta propiedad hace que el grafito artificial sea un tema candente en el campo de la investigación de materiales para baterías.

Alta conductividad eléctrica
Es un material hecho de grafito natural, que cambia su estructura cristalina a través de la sinterización a alta temperatura para formar un material con alta conductividad, estabilidad a alta temperatura y alta capacidad de control estructural. Es ampliamente utilizado en muchos campos, pero el más comúnmente utilizado es en baterías. El grafito artificial en las baterías modernas se utiliza principalmente en placas negativas para almacenar y liberar iones en el electrodo negativo, lo que genera una corriente eléctrica. En comparación con el grafito natural, es más puro, tiene mayor conductividad y tiene una estructura más homogénea, lo que mejora el rendimiento y la vida útil de la batería.

Conductividad eléctrica del grafito artificial
El hecho de que el grafito artificial sea conductor de electricidad se debe a su estructura atómica. Cada átomo de carbono de un cristal de grafito artificial tiene cuatro electrones de valencia, también llamados electrones externos, que pueden formar enlaces con los átomos vecinos. Sin embargo, solo tres de los cuatro electrones de valencia entran en un enlace, mientras que el cuarto electrón permanece libremente móvil y, por lo tanto, permite la conducción de la electricidad.

Conductividad térmica del grafito artificial
El grafito artificial posee una excelente conductividad térmica combinada con una alta resistencia a la temperatura. El grafito artificial no tiene un punto de fusión; cambia del estado sólido directamente al estado gaseoso. Este proceso se llama sublimación. En una atmósfera de gas inerte, el grafito artificial se vuelve plásticamente deformable a partir de una temperatura de 2500 grados. A temperaturas superiores a 3750 grados, el grafito artificial se sublima incluso sin la presencia de oxígeno.

Resistencia química del grafito artificial
El grafito artificial es uno de los materiales más resistentes a los productos químicos. Es resistente a casi todos los medios de la química orgánica. Estos suelen incluir los productos intermedios y/o finales en la petroquímica, la refinación del carbón, la industria del plástico, la producción de pinturas, revestimientos, refrigerantes y anticongelantes, pero también en las industrias cosmética y alimentaria. El grafito artificial también es resistente a la mayoría de los medios inorgánicos, como ácidos no oxidantes, álcalis, soluciones salinas acuosas y la mayoría de los gases técnicos.

Composición
Grafito artificial:El grafito artificial, producido a partir de una materia prima carbonosa mediante un procesamiento a alta temperatura, presenta una estructura atómica muy ordenada. Tiene un nivel de pureza que supera el 99 % de carbono y las impurezas restantes están compuestas principalmente por cenizas y materiales volátiles.
Grafito natural:El grafito natural, que se obtiene a partir de depósitos minerales naturales, se forma a través del metamorfismo de material orgánico. Tiene un contenido de carbono variable, que suele oscilar entre el 15 % y el 95 %, y el resto de la composición está formada por impurezas como cenizas, azufre y oligoelementos.

Procesos de fabricación
Grafito artificial:La producción de grafito artificial implica la grafitización de materiales carbonosos, como el coque de petróleo o el alquitrán de hulla, a temperaturas superiores a los 2500 grados. Este proceso permite la alineación de los átomos de carbono, lo que da como resultado una estructura altamente cristalina con una excelente conductividad térmica y eléctrica.
Grafito natural:Extraído de minas o canteras, el grafito natural se somete a varios tratamientos mecánicos y químicos para mejorar su calidad. Estos procesos incluyen molienda, flotación, purificación y micronización, lo que permite eliminar impurezas y ajustar el tamaño y la distribución de las partículas.

Propiedades físicas y químicas
Grafito artificial:El grafito artificial posee propiedades físicas superiores a las de su contraparte natural. Presenta alta densidad, baja porosidad y una conductividad térmica y eléctrica notable. Además, el grafito artificial ofrece una excelente resistencia a la corrosión química, lo que lo hace adecuado para aplicaciones exigentes.
Grafito natural:El grafito natural presenta una densidad menor, una porosidad mayor y una conductividad térmica y eléctrica moderada. Sus propiedades pueden variar según el origen y las técnicas de procesamiento empleadas. Si bien puede no tener el mismo nivel de rendimiento que el grafito artificial, el grafito natural aún encuentra una amplia aplicación en diversas industrias.

Aplicaciones
Grafito artificial:Debido a sus propiedades excepcionales, el grafito artificial se utiliza ampliamente en industrias avanzadas. Es un componente esencial de las baterías de iones de litio, ya que mejora su densidad energética y prolonga su vida útil. El grafito artificial también se utiliza en aplicaciones de alta temperatura, como crisoles, electrodos y elementos calefactores.
Grafito natural:El grafito natural se utiliza en diversos sectores. Se utiliza habitualmente como lubricante debido a sus propiedades autolubricantes. Además, el grafito natural se emplea en las industrias del acero y del automóvil para crisoles, revestimientos de fundición, pastillas de freno y juntas. También sirve como material de ánodo en baterías alcalinas y en reactores nucleares como moderador.

Preparación de polvos y pastas
Las materias primas para la fabricación de grafito artificial (coque de petróleo, coque de brea, negro de carbón, grafito natural y chatarra de grafito secundario) se cargan y almacenan en silos de materia prima. Primero, las materias primas se muelen en trituradoras y molinos de bolas. Luego, el polvo resultante se acondiciona de acuerdo con la distribución del tamaño de partícula. Finalmente, el polvo se mezcla con un aglutinante para producir una pasta. La brea de hulla o la brea de petróleo se utilizan como aglutinantes.

Formación de formas
La mezcla pastosa resultante se puede compactar utilizando una de las técnicas de conformación: extrusión, vibromoldeo o prensado isostático en frío.
● La extrusión consiste en hacer pasar la mezcla pastosa a través de una matriz con una abertura. La extrusión da como resultado un producto largo, como varillas, barras, placas largas o tubos con secciones transversales regulares, que se pueden cortar en trozos de la longitud requerida. Los materiales de grafito extruidos son isotrópicos. Las propiedades en la dirección de extrusión difieren de las propiedades en otras direcciones.
● El moldeo por vibración es un método de conformación discontinua para productos de grandes dimensiones. Se llena un molde con la mezcla pastosa y se coloca una placa de metal pesada encima. Luego, el material se compacta mediante la vibración del molde. Los cuerpos formados muestran un mayor grado de isotropía en comparación con los materiales extruidos.
● El prensado isostático en frío es el método de compactación de polvo que se lleva a cabo a temperatura ambiente y que implica la aplicación de presión desde múltiples direcciones a través de un medio líquido que rodea la pieza compactada. Se utiliza un molde flexible sumergido en un medio líquido presurizado. Mediante el método de prensado isostático se preparan materiales con una estructura anisotrópica uniforme.

Hornada
Las piezas compactadas se tratan térmicamente en un horno de cocción anaeróbico a temperaturas entre 900 y 1200 grados (1650 y 2200 grados F). La carbonización se produce durante la cocción. Da como resultado la descomposición térmica del aglutinante en carbono elemental y componentes volátiles. El carbono formado en el proceso de carbonización une las partículas de polvo. El volumen del aglutinante es mayor que el volumen del carbono formado. Por lo tanto, la carbonización da como resultado la formación de poros. El volumen relativo total de porosidad está determinado por la cantidad de aglutinante.

Impregnación de brea
En este punto del proceso, las piezas de carbono pueden impregnarse con brea y volverse a hornear para reducir su porosidad. La impregnación se realiza normalmente utilizando una brea de menor viscosidad que la brea aglutinante original. Se requiere una baja viscosidad para rellenar los huecos de forma más completa. Normalmente se utiliza brea de petróleo para esta función. En el caso de algunos grados de grafito de alta densidad, las piezas de carbono pueden pasar varias veces por el ciclo de horneado, impregnación con brea y horneado.

Grafitización
En esta etapa, las piezas moldeadas, horneadas, impregnadas con brea y rehorneadas se tratan térmicamente en un entorno anaeróbico a una temperatura extremadamente alta de 2700 a 3000 grados (4900 a 5450 grados F). La grafitización da como resultado la cristalización del carbono precursor amorfo, que se transforma en grafito cristalino. Bajo la influencia de la temperatura, los cristalitos crecen y se reorganizan en un patrón ordenado de planos paralelos apilados. Esta transformación va acompañada de un cambio en las propiedades físicas del material. Durante este tratamiento a alta temperatura, el grafito también se purifica, ya que la mayoría de sus impurezas (residuos de aglutinante, gases, óxidos, azufre) se vaporizan.

Controles de calidad
Los artículos grafitizados pasan por una serie de pruebas e inspecciones antes de ser enviados. En esta etapa, el material de grafito resultante ya tiene una excelente resistencia a la corrosión y una conductividad térmica sobresaliente. Sin embargo, es muy poroso y, por lo tanto, no es en absoluto impermeable.

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