Graphit ist ein gut bekanntes Material, das wir gewöhnlich mit einem Bleistift verbinden und ihm keine größere Bedeutung zugestehen. Es spielt jedoch eine wichtige Rolle in der Technik, beispielweise für Dichtungen. Eine Getriebedichtung und Bleistifte sehen wir auf dem Foto links.
Seine gute elektrische Leitfähigkeit, hohe Oxidations- und Temperaturwechselbeständigkeit und sehr gute Schmiereigenschaften machen Graphit zu einem vielseitig einsetzbaren Material. Er wird auch deswegen geschätzt, weil er vollständig recycelt werden kann.
Modifikation von Kohlenstoff
Graphit und Diamant sind die beiden natürlich vorkommenden Modifikationen des Kohlenstoffs, jede mit ihrer typischen kristallinen Struktur. Dabei ist Graphit die unter Normalbedingungen stabile Modifikation. Werkstofftechnisch zählt Graphit - neben Diamanten und Bor - zu der kleinen Gruppe der elementaren keramischen Werkstoffe.
Graphit entsteht in der Erdkruste dort, wo organische Überreste von Pflanzen und Tieren über Millionen von Jahren zusammengepresst werden. Außerdem sind hohe Temperaturen, meist durch unterirdische Magmaströme, notwendig. Seine gute elektrische Leitfähigkeit, hohe Oxidations- und Temperaturwechselbeständigkeit und sehr gute Schmiereigenschaften machen Graphit zu einem vielseitig einsetzbaren Material.
Graphit ist gesundheitlich unbedenklich, weder brennbar noch versprödend, sehr flexibel, alterungs- und strahlungsbeständig und verfügt über den gesamten Temperaturbereich hinweg über gute mechanische Eigenschaften.
Naturgraphit (Abb. 1a) ist ein bereits im Altertum bekanntes Mineral. Technische Bedeutung erlangte dieser Werkstoff erst, als es vor über 100 Jahren gelang, ihn synthetisch in größeren Formkörpern herzustellen.
Graphit kristallisiert in einem hexagonalen Schichtgitter. Innerhalb einer Schicht ist jedes Kohlenstoffatom durch starke kovalente Bindungen mit seinen drei Nachbarn verbunden, während zwischen den Schichten nur schwache Van-der-Waals-Kräfte herrschen. Die Schichten sind parallel zueinander angeordnet und definiert ausgerichtet. Diesen schichtartigen Aufbau von Graphit kann man auch bei einer Bleistiftmine (Abb. 1b) erkennen.
Abb. 1 Erscheinungsformen von Graphit a) Mineral, b) Bleistiftmine (vergrößert), b) Brandreste (vergrößert)
Darüber hinaus existiert ein rhomboedrischer Graphit, welcher eine leicht abgeänderte, jedoch ebenso definierte Ausrichtung der Schichten aufweist.
Eigenschaften von Graphit
Einige Eigenschaften von Graphit sind in Tab. 1 aufgelistet. Da Graphit auf makroskopischer Ebene keine ideale Kristallstruktur aufweist, ist in Tab. 1 neben der idealen Dichte auch die gemessene Dichte in Klammern angegeben. Diese hängt von der Herkunft bzw. der Herstellungsmethode und dem Zerkleinerungsgrad des Graphits ab.
Tab. 1 Eigenschaften von Graphit
| Dichte | 2,266 (1,5 - 2,2) g/cm3 |
| Mohs-Härte | 1 (parallel); 4,5 (senkrecht) |
| E-Modul | 18,8 10-5 N/cm2 (parallel); 5,2 10-5 N/cm2 (senkrecht) |
| Spez. Widerstand | 0,4 10-4 Ωcm (parallel); 0,2 - 1,0 Ωcm (senkrecht) |
Seine schichtartige Struktur verursacht stark anisotrope Eigenschaften von Graphit. Die schwachen Van-der-Waals-Kräfte ermöglichen eine leichte Verschiebung der Schichten gegeneinander.
Dagegen führen die stärkeren Atombindungen innerhalb der Schichten zu ihrer höheren Stabilität. Das äußert sich unter anderem in mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Härte. Entsprechend sind in Tab. 1 der E-Modul und die Härte einmal parallel und einmal senkrecht zu den Schichten angegeben.
Ebenso sind die elektrischen Eigenschaften anisotrop. Die an den Atombindungen unbeteiligten Valenzelektronen sind mobil und bilden ein Elektronengas innerhalb der jeweiligen Schicht. Der Sprung der Elektronen in benachbarte Schichten ist energieaufwendiger und dadurch seltener. So ist Graphit parallel zu den Schichten ein guter elektrischer Leiter, dagegen senkrecht zu ihnen eher ein Isolator. Dieser Unterschied ist deutlich an seinem spezifischen Widerstand erkennbar (vgl. Tab. 1).
Bedingt durch seinen schichtartigen Aufbau ist Graphit ein gutes Schmiermittel mit kristallinternen Gleitflächen.
Graphit ist gesundheitlich unbedenklich, weder brennbar noch versprödend, sehr flexibel, alterungs- und strahlungsbeständig und verfügt über den gesamten Temperaturbereich hinweg über gute mechanische Eigenschaften.
Materialien mit graphitischer Strukur
Neben der klassischen Erscheinungsform von Graphit als Vollmaterial, existiert eine Reihe weiterer Materialien mit ähnlicher Struktur. Dazu gehören u.a. Ruß, Kohlenstofffasern und sogenannter Glaskohlenstoff.
Ruß besteht aus kugelförmigen, etwa 20 bis 300 nm großen Partikeln, die lockere, traubenförmige Aggregate bilden. Diese Partikel bestehen wiederum aus 2 bis 3 nm großen graphitisch kristallisierten Bereichen, die dachziegelförmig gestapelt sind. Dadurch hat Ruß eine sehr große äußere Oberfläche und eine geringe Dichte von 1,85 g/cm³. Verkohlte Brandreste, wie es sie beispielsweise bei Kerzendochten (Abb. 1c) gibt, stellen auch eine Rußart dar.
Kohlenstofffasern bestehen aus graphitisch kristallisierten Bereichen, deren Schichten parallel zur Faserachse liegen und auch gekrümmt sein können. Diese Anordnung wird durch die spezielle Herstellung der Kohlenstofffasern bewirkt. Bedingt durch diese Struktur weisen Kohlenstofffasern herausragende mechanische Eigenschaften auf (s. dazu Faserwerkstoffe), die wie beim normalen Graphit anisotrop sind.
Glaskohlenstoff besteht aus graphitisch kristallisierten Bändern und Schichten, die ungeordnet miteinander verschlungen sind. Dadurch hat dieses Material isotrope Eigenschaften und ist chemisch und mechanisch sehr stabil.
Da Kohlenstoff unter Normaldruck nicht schmilzt, werden Teile, ähnlich wie Keramiken, aus formbaren Mischungen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen und Bindemitteln mit anschließenden Verkoken der Formlinge hergestellt. Die elektrische Leitfähigkeit solcher Werkstoffe ist vergleichsweise niedrig, reicht jedoch für viele Zwecke aus, so z.B. für Anoden in der Elektrolyse bei Aluminiumherstellung (s. dazu Gewinnung von Aluminium).
Für Anwendungen, bei denen eine deutlich höhere Leitfähigkeit gefordert wird, muss das Kohlenstoffmaterial durch den Graphitisierungsprozess bei etwa 2800°C in einen feinkörnigen Elektrographit umgewandelt werden.
Anwendung von Graphit
Die technischen Anwendungen des Graphits sind vielfältig:
- Elektrodenwerkstoff für elektrothermische und elektrochemische Verfahren,
- Feuerfeste Ausmauerung von Hochöfen bei der Roheisenherstellung (s. dazu Eigenschaften von Eisen),
- Kontaktwerkstoff für elektrische oder mechanische Schleifkontakte,
- Kohlefasern in kohlefaserverstärkten Kunststoffen CFK,
- Moderatorwerkstoff in Kernreaktoren.
Heute ist noch eine andere Anwendung von Graphit in den Fokus geraten. Nämlich Anoden für Lithium-Ionen-Batterien, die in immer größeren Mengen benötigt werden.
Graphit und Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien sind zum Synonym für moderne Energiespeicherung geworden und versorgen Geräte von der Alltagselektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen. Wesentlich für ihren Betrieb ist die Anode, die fast ausschließlich aus Graphit gefertigt.
Die Anode dient als Gateway für Lithiumionen während der Lade- und Entladezyklen einer Lithium-Ionen-Batterie. Beim Laden der Batterie wandern Lithiumionen von der Kathode zur Anode und werden dort in der Schichtstruktur von Graphit eingebettet. Die Schichtstruktur von Graphit ist also für seine Funktion als Anode sehr wichtig. Sie stellt einen idealen Wirt für Lithium-Ionen dar.
Dieses Interkalationsverhalten sorgt für reversible elektrochemische Reaktionen und bildet die Grundlage für den stabilen Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien.
Bedeutung von Graphit
Die Internationale Energieagentur IEA listet aktuell den Graphit, neben Nickel, Kobalt, Kupfer und Lithium, als kritisches Material. Er erreicht den Weltmarkt in Form von bergmännisch gefördertem Graphiterzen sowie aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialen synthetisch hergestelltem Graphit.
Obwohl die geschätzten Vorkommen von natürlichem Graphit in der Erdkruste bei 300 Mio. Tonnen liegen, werden derzeit nur ca. 1,3 Mio. Tonnen abgebaut. Die Produktion konzentriert sich dabei fast nur auf China. Kleinere Vorkommen gibt es auf Madagaskar, im Mosambik und Brasilien. Die weltweit größte Graphitmine befand sich 2022 in Mosambik und sie soll 50 Jahre lang betrieben werden.
Als Ersatz für den natürlichen dient der synthetische Graphit, welcher sich u.a. aus Erdöl herstellen ließe. Durch Verkoken kohlenstoffhaltiger Materialien entstehen graphitierbare Kohlenstoffe. Ausgangssubstanzen sind neben dem Erdöl zum Beispiel Braunkohle, Steinkohle, Peche, aber auch Kunststoffe. Allerdings wird auch dieser Markt von China dominiert.
Übrigens: Die ersten Graphitstifte gab es schon im 16. Jahrhundert; sie sollten die Schreib- und Zeichentechnik revolutionieren. Der Name Graphit leitet sich aus dem altgriechischen graphein ab, was schreiben bedeutet. Die Härtegrade kommen durch Beimengungen von Ton zustande. Der Bedarf an Graphit für Bleistifte ist jedoch heute äußerst gering.<<
