V kitajskih virih grafita prevladuje kristalni grafit. Glavni mehanizem, s katerim je mogoče kristalni kosmičasti grafit uspešno pripraviti v ekspandiran grafit, izvira iz njegovih edinstvenih značilnosti kristalne strukture.
Osnovna struktura kristalnega kosmičastega grafita je sestavljena iz plasti vzporedno razporejenih heksagonalnih ogljikovih atomov. Plasti držijo skupaj šibke van der Waalsove sile in imajo določen medplastni razmik. Zato se lahko pod ustreznimi pogoji različne kemične snovi, kot so kisline, alkalijske kovine in soli, vstavijo med grafitne plasti in se združijo z ogljikovimi atomi, da nastane ekspandiran grafit.
Kot ključni vmesni produkt v verigi grafitne industrije raztegljivi grafit ne le v celoti ohranja odlično električno in toplotno prevodnost, odpornost na visoke in nizke temperature ter odpornost proti koroziji naravnega kosmičastega grafita, ampak postane tudi pomemben funkcionalni material zaradi svoje edinstvene visoko aktivne površine in kemične stabilnosti.
Ključni kazalnik učinkovitosti kakovosti ekspandibilnega grafita: ekspanzijski volumen
Ekspanzijska prostornina je ključni indikator učinkovitosti za ocenjevanje kakovosti ekspandibilnega grafita. Na splošno velja, da večji kot je ekspanzijski volumen, boljša je ekspanzijska zmogljivost grafita in širši je obseg njegove uporabe.
Značilnosti razširljivega grafita
Eksperimentalni podatki kažejo, da je za pripravo končnih izdelkov z večjim ekspanzijskim volumnom mogoče uporabiti samo ekspandirani grafit z visokim ekspanzijskim razmerjem (high-expansion-ratio expandable graphite).
Kot nova vrsta večnamenskega materiala na osnovi ogljika ima raztegljiv grafit z visokim razmerjem raztezanja široke možnosti uporabe na več industrijskih področjih zaradi svoje edinstvene strukture in prednosti v zmogljivosti. Ta material ni mogoče široko uporabljati le na tradicionalnih področjih, kot so tesnjenje, zaviranje gorenja in adsorpcija, ampak kaže tudi odlično delovanje na nastajajočih področjih, kot sta kataliza in shranjevanje energije. Zlasti v ozadju hitrega razvoja nove energije so ekspandirani grafitni materiali, pripravljeni iz ekspandirnega grafita z visokim razteznim razmerjem, postali idealne izbire za anodne materiale za litij-ionske baterije zaradi znatno povečanega medslojnega razmika, odličnih značilnosti specifične površine in edinstvene tridimenzionalne porozne strukture.
Kaj določa "visoko ekspanzijsko razmerje" razširljivega grafita?
Postopek priprave
Raven tehnologije priprave ekspandiranega grafita z visokim razteznim razmerjem neposredno določa končno zmogljivost ekspandiranega grafita, to pa je tudi ključ do tega, ali lahko material doseže obsežno uporabo na različnih področjih.
Trenutno metode za pripravo razširljivega grafita vključujejo interkalacijo s kemično oksidacijo, elektrokemično oksidacijo, oksidacijo s pomočjo ultrazvoka, interkalacijo s transportom v plinski fazi, metodo medija s staljeno soljo in druge.
Sedanje raziskave kažejo, da pri pripravi ekspandibilnega grafita z visokim razteznim razmerjem še vedno prevladujejo kemična oksidacija in elektrokemične metode. Zlasti lahko metoda kemične oksidacije doseže stabilno množično proizvodnjo z natančnim uravnavanjem razmerja oksidantov (kot je mešani sistem koncentrirane žveplove kisline/dušikove kisline) do interkalacijskih sredstev (kot je perklorova kislina); medtem ko elektrokemična metoda zaradi svojih okolju prijaznih in blagih reakcijskih pogojev kaže edinstvene prednosti pri aplikacijah višjega cenovnega razreda.
Med pripravo so izbira oksidantov in interkalacijskih sredstev, reakcijska temperatura in časovna kontrola ključni procesni parametri, ki vplivajo na ekspanzijsko razmerje. Zato je za povečanje ekspanzijske prostornine na eni strani mogoče raziskati nove sisteme oksidant/interkalacijsko sredstvo in njihove kombinacije (kot je sestavljeni sistem kalijev permanganat–žveplova kislina); po drugi strani pa je mogoče optimizirati tradicionalne procese in razviti inovativne metode, kot so ultrazvočno podprta oksidativna interkalacija, sekvenčna interkalacija (najprej oksidacija, nato interkalacija) in dvostopenjski interkalacijski procesi. Ker okoljske zahteve postajajo vse strožje, je razvoj nizkotoksičnih, visoko učinkovitih, okolju prijaznih novih oksidacijsko-interkalacijskih sistemov postal pomemben preboj v tehnoloških inovacijah za pripravo ekspandibilnega grafita z visokim ekspanzijskim razmerjem.
Trenutno najpogosteje uporabljeni oksidanti vključujejo kalijev permanganat, vodikov peroksid itd., medtem ko sredstva za interkalacijo vključujejo predvsem klorovo kislino, ledocetno kislino, žveplovo kislino, dušikovo kislino itd.
Drugi dejavniki
Ključni dejavniki virov, ki vplivajo na pripravo ekspandibilnega grafita z visokim razteznim razmerjem, vključujejo predvsem velikost grafitnih kosmičev in čistost surovine. Natančneje, večja kot je velikost grafitnih kosmičev in višja kot je vsebnost vezanega ogljika (običajno mora biti čistost nad 99 %), bolj ugodno je za pripravo izdelkov z odličnim ekspanzijskim razmerjem. To je zato, ker imajo veliki kosmiči popolnejšo kristalno strukturo, surovine visoke čistosti pa lahko zmanjšajo motnje nečistoč pri interkalacijski reakciji, s čimer se občutno izboljša zmogljivost ekspanzije končnega izdelka.
Povzetek
Ekspandirani grafit z visokim razteznim razmerjem ima nenadomestljive tehnične prednosti na področjih, kot so priprava ekspandiranega grafita, razvoj ognjevarnih kompozitov in visoko zmogljivih materialov za elektrode baterij. V zadnjih letih je z nenehnim optimiziranjem postopkov priprave ekspandibilnega grafita, poglabljanjem raziskav učinkovitosti in postopnim širjenjem področij uporabe tržno povpraševanje po izdelkih ekspandibilnega grafita z značilnostmi visokega ekspanzijskega razmerja pokazalo pomemben trend rasti.