Zasoby grafitu w Chinach są zdominowane przez grafit krystaliczny. Podstawowy mechanizm, dzięki któremu krystaliczny grafit płatkowy można z powodzeniem przygotować do postaci rozszerzalnego grafitu, wynika z jego unikalnej charakterystyki struktury krystalicznej.
Podstawowa struktura krystalicznego grafitu płatkowego składa się z warstw równolegle ułożonych sześciokątnych atomów węgla. Warstwy są utrzymywane razem przez słabe siły van der Waalsa i mają określone odstępy między warstwami. Dlatego w odpowiednich warunkach pomiędzy warstwy grafitu można wprowadzić różne substancje chemiczne, takie jak kwasy, metale alkaliczne i sole, które łączą się z atomami węgla, tworząc rozszerzalny grafit.
Jako kluczowy produkt pośredni w łańcuchu przemysłu grafitowego, grafit ekspandowalny nie tylko w pełni zachowuje doskonałą przewodność elektryczną i cieplną, odporność na wysokie i niskie temperatury oraz odporność na korozję naturalnego grafitu płatkowego, ale także staje się ważnym materiałem funkcjonalnym ze względu na jego wyjątkową, wysoce aktywną powierzchnię i stabilność chemiczną.
Kluczowy wskaźnik jakości grafitu ekspandowanego: objętość ekspansji
Objętość ekspansji jest kluczowym wskaźnikiem wydajności służącym do oceny jakości rozszerzalnego grafitu. Ogólnie rzecz biorąc, im większa objętość ekspansji, tym lepsza wydajność ekspansji grafitu i szerszy zakres jego zastosowania.
Charakterystyka grafitu ekspandowanego
Dane eksperymentalne pokazują, że do przygotowania produktów końcowych o większej objętości spieniania można stosować wyłącznie grafit ekspandowalny o wysokim współczynniku rozszerzalności (grafit ekspandowany o wysokim współczynniku rozszerzalności).
Jako nowy rodzaj wielofunkcyjnego materiału na bazie węgla, grafit ekspandowany o wysokim współczynniku rozszerzalności ma szerokie perspektywy zastosowania w wielu dziedzinach przemysłu ze względu na swoją unikalną strukturę i zalety użytkowe. Materiał ten może być szeroko stosowany nie tylko w tradycyjnych dziedzinach, takich jak uszczelnianie, zmniejszanie palności i adsorpcja, ale także wykazuje doskonałe właściwości w nowych dziedzinach, takich jak kataliza i magazynowanie energii. W szczególności, w kontekście szybkiego rozwoju nowej energii, materiały z grafitu ekspandowanego przygotowane z grafitu ekspandowanego o wysokim współczynniku rozszerzalności stały się idealnym wyborem dla materiałów anodowych do akumulatorów litowo-jonowych ze względu na ich znacznie zwiększone odstępy między warstwami, doskonałe właściwości powierzchni właściwej i unikalną trójwymiarową porowatą strukturę.
Co decyduje o „wysokim współczynniku rozszerzalności” grafitu ekspandowalnego?
Proces przygotowania
Poziom technologii przygotowania grafitu ekspandowanego o wysokim współczynniku rozszerzalności bezpośrednio określa ostateczną wydajność grafitu ekspandowanego i jest to również klucz do tego, czy materiał może znaleźć zastosowanie na dużą skalę w różnych dziedzinach.
Obecnie metody wytwarzania ekspandowanego grafitu obejmują interkalację poprzez utlenianie chemiczne, utlenianie elektrochemiczne, utlenianie wspomagane ultradźwiękami, interkalację z transportem w fazie gazowej, metodę stopionych soli i inne.
Obecne badania pokazują, że wytwarzanie ekspandowanego grafitu o wysokim współczynniku rozszerzalności nadal jest zdominowane przez utlenianie chemiczne i metody elektrochemiczne. W szczególności metoda utleniania chemicznego umożliwia osiągnięcie stabilnej produkcji masowej poprzez precyzyjną regulację stosunku utleniaczy (takich jak mieszany układ stężony kwas siarkowy/kwas azotowy) do środków interkalujących (takich jak kwas nadchlorowy); natomiast metoda elektrochemiczna, ze względu na przyjazne dla środowiska i łagodne warunki reakcji, wykazuje wyjątkowe zalety w zaawansowanych zastosowaniach.
Podczas przygotowania dobór utleniaczy i środków interkalujących, temperatura reakcji i kontrola czasu są kluczowymi parametrami procesu wpływającymi na stopień spieniania. Dlatego też, aby zwiększyć objętość ekspansji, z jednej strony można zbadać nowe układy utleniacz/środek interkalujący i ich kombinacje (takie jak układ złożony nadmanganian potasu – kwas siarkowy); z drugiej strony można zoptymalizować tradycyjne procesy i opracować innowacyjne metody, takie jak interkalacja oksydacyjna wspomagana ultradźwiękami, interkalacja sekwencyjna (najpierw utlenianie, potem interkalacja) i dwuetapowe procesy interkalacji. W szczególności, w miarę jak wymagania środowiskowe stają się coraz bardziej rygorystyczne, opracowanie nowych, niskotoksycznych, wysokowydajnych i przyjaznych dla środowiska systemów utleniania-interkalacji stało się ważnym przełomem w innowacjach technologicznych w zakresie wytwarzania ekspandowanego grafitu o wysokim współczynniku rozszerzalności.
Obecnie do najczęściej stosowanych utleniaczy zalicza się nadmanganian potasu, nadtlenek wodoru itp., natomiast do środków interkalujących zalicza się głównie kwas chlorowy, kwas octowy lodowaty, kwas siarkowy, kwas azotowy itp.
Inne czynniki
Do kluczowych czynników wpływających na przygotowanie grafitu ekspandowalnego o wysokim współczynniku rozszerzalności zalicza się głównie wielkość płatków grafitu i czystość surowca. W szczególności im większy rozmiar płatków grafitu i im wyższa zawartość węgla stałego (zwykle czystość musi sięgać powyżej 99%), tym korzystniejsze jest wytwarzanie produktów o doskonałym współczynniku spieniania. Dzieje się tak dlatego, że duże płatki mają pełniejszą strukturę krystaliczną, a surowce o wysokiej czystości mogą zmniejszyć wpływ zanieczyszczeń na reakcję interkalacji, znacznie poprawiając w ten sposób właściwości rozszerzania produktu końcowego.
Streszczenie
Grafit ekspandowany o wysokim współczynniku rozszerzalności wykazuje niezastąpione zalety techniczne w takich dziedzinach, jak przygotowanie grafitu ekspandowanego, opracowywanie kompozytów zmniejszających palność i wysokowydajne materiały na elektrody akumulatorowe. W ostatnich latach, wraz z ciągłą optymalizacją procesów przygotowania grafitu ekspandowanego, pogłębianiem badań wydajnościowych i stopniowym rozszerzaniem obszarów zastosowań, zapotrzebowanie rynku na produkty z grafitu ekspandowanego o wysokim współczynniku rozszerzalności wykazuje znaczną tendencję wzrostową.