Grafiitti: hiilen muoto, jota akut tarvitsevat

Grafiitti pähkinänkuoressa

Grafiitti koostuu puhtaasta hiilestä (C, järjestysluku 6). Hiilellä on kolme luonnossa esiintyvää olomuotoa eli allotrooppia: amorfinen hiili, grafiitti ja timantti. Grafiitti ja timantti ovat molemmat puhdasta hiiltä, ja ne eroavat toisistaan vain kidehilaltaan.

Mitkä ovat grafiitin käyttökohteet?

Grafiittia käytetään eniten metallurgiassa. USGS:n mukaan luonnongrafiittia hyödynnetään akuissa, jarrupaloissa, voiteluaineissa, jauhemetallurgiassa, tulenkestävissä materiaaleissa ja teräksenvalmistuksessa. Teräksenvalmistus ja tulenkestävät sovellukset käyttävät suurimman määrän.

Ominaisuudet vastaavat käyttöä. Kemiallinen kestävyys ja lämmönsietokyky tekevät grafiitista sopivan tulenkestäviin tuotteisiin ja teräksenvalmistukseen. Liukkaus tekee siitä kuivan voiteluaineen, ja johtavuus mahdollistaa sähkömoottorien hiiliharjat ja elektrodit. Hiutalegrafiitti, jonka kiteet ovat isoja ja ohuita, on korkea-arvoinen muoto ja päätyy korkean lämpötilan voiteluaineisiin, valimo- ja tulenkestäviin tuotteisiin sekä akkuihin.

Energiasiirtymä on lisännyt grafiitin merkitystä. Sitä käytetään myös polttokennojen ja virtausakkujen bipolaarilevyissä sekä superkondensaattoreiden elektrodeissa. Lisäksi USGS mainitsee grafiitin käytön pienten modulaaristen ydinreaktorien kuulissa ja tuuli-, vuorovesi- ja aaltovoimaloiden lujissa komposiiteissa. Joissakin käyttökohteissa sopivaa korviketta ei ole, mikä tekee saatavuudesta kriittisen kysymyksen.

Miksi grafiitti johtaa sähköä?

Grafiitti johtaa sähköä, koska jokainen hiiliatomi sitoutuu kolmeen naapuriinsa ja neljäs elektroni on vapaa liikkumaan koko kerroksessa. Atomit muodostavat tasoja, joissa on kuusikulmaisia rakenteita, ja vapaat elektronit liikkuvat helposti tason sisällä. Kerrosten välillä vaikuttavat vain heikot van der Waalsin voimat, joten kerrokset liukuvat toistensa yli. Siksi grafiitti on samaan aikaan sähköä johtavaa ja pehmeää.

Miksi akut tarvitsevat grafiittia?

Litiumioniakun anodi eli negatiivinen elektrodi on yleensä tehty grafiitista. Grafiitin kerrosrakenne jättää hiilitasojen väliin tilaa, johon litiumionit pujahtavat akkua ladattaessa ja josta ne poistuvat purettaessa.

Jos akku on rautafosfaattiakku, katodi ei tarvitse nikkeliä tai kobolttia, mutta anodi on silti yleensä grafiittia. Eri akkukemioiden vertailu löytyy sivulta LFP-akku.

Luonnongrafiitti ja synteettinen grafiitti

Grafiittia on kahta alkuperää. Luonnongrafiitti louhitaan, ja synteettinen grafiitti valmistetaan hiilivetylähteistä, esimerkiksi öljykoksista, lämpökäsittelemällä.

Synteettistä grafiittia käytetään sovelluksissa, joissa tarvitaan korkeaa puhtautta, kuten elektrodeissa ja akuissa. Valimosovelluksiin se ei sovi huokoisuuden vuoksi.

Kuka grafiittia tuottaa?

Luonnongrafiitin tuotanto on keskittynyt Kiinaan. USGS:n arvion mukaan Kiina tuotti noin 82 prosenttia maailman luonnongrafiitista, noin 1,4 miljoonaa tonnia. Muita tuottajamaita ovat Madagaskar, Tansania, Brasilia ja Mosambik.

Kiinalla on lisäksi keskeinen asema anodimateriaalin jalostuksessa. USGS kertoo, että yli puolet Yhdysvaltojen akkuanodimateriaalin tuonnista tuli Kiinasta, ja Kiina vei kasvavia määriä pallomaiseksi jauhettua puhdistettua grafiittia. Kiinalaiset yhtiöt kehittävät tai harkitsevat tällaisia tehtaita myös Suomeen.

Suomessa grafiittiesiintymiä on tutkittu: Geologian tutkimuskeskus GTK tutki Pälkäneen Takkulan ja Jylhän hiutalegrafiittiesiintymiä vuosina 2019–2021, ja Takkulan grafiittia rikastettiin koeluontoisesti ja testattiin litiumioniakun anodimateriaalina. Aseman merkitystä kuvaa sivu Miksi Kiina hallitsee metallien jalostusta ja kriittisten raaka-aineiden yleiskuvaa sivu kriittiset raaka-aineet.