La grafite è una materia prima sempre più richiesta dall’industria delle batterie.
MATERIE PRIME. La grafite è utilizzata come materiale anodico nelle batterie agli ioni di litio, si prevede che la domanda globale di grafite aumenterà del 500% entro il 2050, con l’intensificarsi degli sforzi per aumentare l’accumulo di energia e l’adozione dei veicoli elettrici.
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Argomenti trattati Quali sono le differenze tra grafite naturale e grafite sintetica |
Introduzione
Nel settore delle batterie tutti si sono concentrati sul litio, eppure c’è un altro minerale altrettanto essenziale: si tratta della grafite, componente essenziale nell’anodo delle batterie. Esso rappresenta circa il 90% del mercato degli anodi per batterie, e viene utilizzata in una vasta gamma di dispositivi, tra cui smartphone, laptop, tablet, veicoli elettrici e stazioni di energia rinnovabile.
La ricerca sulla grafite per batterie è in continua evoluzione. Gli scienziati stanno lavorando per sviluppare nuovi metodi per migliorare le prestazioni della grafite, in termini di conduttività elettrica, capacità di accumulo di energia e stabilità chimica.
Un promettente sviluppo è l'uso del grafene, una forma di carbonio bidimensionale con proprietà ancora migliori rispetto alla grafite. Il grafene ha una conduttività elettrica molto elevata e una capacità di accumulo di energia superiore a quella della grafite. Tuttavia, il grafene è ancora in fase di sviluppo, e non è ancora pronto per l'uso commerciale nelle batterie.
La grafite sintetica e la grafite naturale competono in varie applicazioni. Sono comunemente sostituiti l'uno con l'altro. La scelta è guidata principalmente dal prezzo, dal grado di carbonio, dalla dimensione, forma delle particelle e dalle prestazioni.
Caratteristiche della grafite
La grafite naturale (C, numero atomico 6) è un allotropo del carbonio che presenta proprietà sia metalliche che non metalliche.
È un minerale tenero, grigio-nero con perfetta sfaldatura basale. È costituito da fogli planari formati da atomi di carbonio. Il legame intraplanare è potente, ma le forze che tengono insieme questi fogli sono deboli, quindi gli strati possono facilmente scivolare uno sull’altro.
La grafite ha un'elevata resistenza termica e potere lubrificante, è resistente alla corrosione, chimicamente inerte e non tossica. Queste proprietà lo rendono una materia prima con una vasta gamma di usi
Struttura della grafite. La grafite è nota e utilizzata dall'uomo fin dai tempi antichi. È composto da strati di carbonio detti grafene, bidimensionali, atomicamente piatti, con legame sp2, debolmente uniti tra loro dalle forze di van der Waals.
La grafite ha origine metamorfica, ossia si genera a seguito di un processo detto grafitizzazione che trasforma i resti biologici carboniosi in minerali.
Si tratta dello stesso processo che produce in condizioni differenti sia il carbone, che il diamante.
La formazione della grafite avviene dopo che i sedimenti subiscono per un lunghissimo periodo di tempo, pressioni e temperature altissime (tra i 1500 e i 3000°C). Le condizioni di pressione e temperatura elevate causano la rottura dei legami chimici tra gli atomi di carbonio, che si riorganizzano in una struttura a strati paralleli, tipica della grafite.
La Cina è il principale produttore di grafite naturale con una quota di mercato del 70%. I principali giacimenti cinesi si trovano nella provincia di Liaoning, nella provincia di Hunan e nella provincia di Shanxi.
L'India è il secondo produttore mondiale con una quota di mercato del 15%. I principali giacimenti indiani si trovano nello stato del Bihar, nello stato del Jharkhand e nello stato del Chhattisgarh.
Il Brasile è il terzo produttore mondiale di grafite naturale, con una quota di mercato del 5%. I principali giacimenti brasiliani si trovano nello stato di Minas Gerais e nello stato di Bahia.
Seguono Canada, Russia, Australia, Corea del Sud, Turchia, Grecia e gli Stati Uniti.
La grafite può essere anche di natura sintetica.
La grafite sintetica è un materiale prodotto artificialmente da un sottoprodotto del petrolio, come il coke di petrolio calcinato o il bitume minerale. Il processo di produzione della grafite sintetica si basa sul riscaldamento del materiale carbonioso a temperature elevate, in assenza di ossigeno. A queste temperature, il materiale carbonioso subisce una serie di trasformazioni chimiche, che portano alla formazione di una struttura a strati paralleli, tipica della grafite.
Sia la grafite naturale che quella sintetica possono essere utilizzate in diverse applicazioni. Gran parte della domanda totale di grafite è soddisfatta dalla grafite sintetica.
Gli usi finali e il valore commerciale associato della grafite naturale sono determinati dalle caratteristiche della grafite naturale estratta e dalla successiva lavorazione dei concentrati di grafite naturale.
In molti casi, applicazioni specifiche richiedono un tipo di grafite lavorata in particolare. Per uso commerciale vengono estratti tre tipi di grafite naturale, classificati in base alla purezza e alla dimensione delle particelle.
La Cina è il maggiore produttore di grafite naturale adatta alla trasformazione in grafite sferica adatta a produrre il materiale anodico per batterie agli ioni di litio. La grafite sferica ha una forma sferica, mentre la grafite naturale e la grafite sintetica convenzionale hanno una forma lamellare.
Quali sono le differenze tra grafite naturale e grafite sintetica
Ci sono alcune differenze fondamentali tra le due forme.
La grafite naturale si forma a seguito di un processo detto grafitizzazione, che trasforma i resti biologici carboniosi in minerali. Si tratta dello stesso processo che produce in condizioni differenti sia il carbone, che il diamante.
La grafite sintetica, invece, viene prodotta artificialmente da un sottoprodotto del petrolio, come il coke di petrolio calcinato o il bitume minerale.
La grafite naturale ha una struttura lamellare, con gli strati di carbonio disposti in modo parallelo. La grafite sintetica, invece, può avere una struttura lamellare o sferica.
La grafite naturale e la grafite sintetica hanno proprietà simili anche se nella sintetica le proprietà sono migliorate come la conduttività elettrica, la capacità di accumulo di energia e la stabilità chimica.
In ogni caso la grafite naturale è generalmente più economica di quella sintetica in quanto è più abbondante e la sua produzione è meno complessa.
Utilizzo della grafite naturale
I refrattari per l'industria siderurgica rappresentano il mercato più grande per la grafite naturale e consumano circa la metà della produzione mondiale di grafite naturale.
Nel 2014, circa il 70% del consumo mondiale di grafite naturale era destinato ad applicazioni metallurgiche, in particolare alla produzione di materiali refrattari per la produzione dell'acciaio (54%), applicazioni nelle fonderie (15%) e alla ricarburazione nell'industria siderurgica (4%). Il mercato delle batterie rappresentava l'8% del consumo globale di grafite nel 2014.
Refrattari
Il mercato principale per la grafite naturale è quello dei refrattari a base di magnesia-carbonio e allumina-carbonio per l’industria siderurgica.
Un refrattario è un materiale ceramico che ha la capacità di resistere alle elevate temperature (maggiore di 1580°) senza subire alterazioni come crepe, fusione, ecc.
I materiali refrattari ordinari sono di SiO2, Al2O3, CaO, MgO. L’aggiunta di grafite ne migliora le proprietà.
La stessa grafite è un materiale refrattario in quanto è in grado di resistere alle alte temperature senza fondere, decomporsi o subire variazioni significative delle sue principali caratteristiche meccaniche e fisiche. Ad esempio i crogioli di grafite sono utilizzati per la fusione e la lavorazione di metalli, come l'acciaio, il ferro e il rame in quanto resistono alle alte temperature e alla corrosione, e consentono di ottenere una fusione uniforme e di alta qualità.
Batterie
La grafite in scaglie è un componente indispensabile delle batterie primarie e ricaricabili, cioè nei catodi delle batterie alcaline come additivo, negli anodi e catodi delle batterie al piombo come additivo, negli anodi delle batterie agli ioni di litio (LIB) come materiale principale.
Nel 2015, le batterie agli ioni di litio rappresentavano circa il 75-85% e le batterie alcaline circa il 10-15% della domanda totale di grafite per batterie, e il resto era coperto da batterie al piombo e altri tipi di batterie
IUPAC, Gold Book, Graphite
Scrreen, Natural graphite
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