Feb13

Als Mineral des Monats Februar wurde Graphit von der Vereinigung NEROS (Netzwerk Mineralische Rohstoffe Schweiz) gewählt.

Graphit: Old Beneis Farm, Marlborough, Cheshire County, New Hampshire, USA © Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Graphit: Old Beneis Farm, Marlborough, Cheshire County, New Hampshire, USA © Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Weil in der kalten Jahreszeit gewisse Rohstoffe direkt oder indirekt mit Energie zusammenhängen, sind sie einer besonderen Erwähnung wert. Graphit ist ein solcher Rohstoff, er ist z.B. ein wichtiger Bestandteil von Li-Ionen Batterien.

Graphit ist die stabile Modifikation von Kohlenstoff bei Normalbedingungen. Er kristallisiert in Schichten, wobei jedes C-Atom mit drei anderen kovalent verknüpft ist. Das vierte Elektron befindet sich in p-Orbitalen senkrecht zu den Schichten. Die Elektronen, die innerhalb der Schichten frei beweglich sind, bedingen den metallischen Glanz, die schwarze Farbe und die Leitfähigkeit.

Kristallgitterstruktur der 3 Kohlenstoff-Modifikationen

Kristallgitterstruktur der 3 Kohlenstoff-Modifikationen: Fulleren, Diamant, Graphit © CC0

Aufgrund der freien Elektronen ist Graphit parallel der Schichten gut leitfähig, senkrecht dazu kaum, da sich hier keine Elektronen befinden. Die einzelnen Schichten werden durch van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Da diese Kräfte relativ schwach sind, können die Schichten gut gegeneinander verschoben werden.

So sind die Eigenschaften von Graphit vielfältig: Er ist schmierfähig, elektrisch leitfähig, chemisch inert und von schwarzer Färbung. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Graphit als Pulver oder Granulat in vielen Bereichen eingesetzt: Schmelztiegelherstellung, Schmier- und Trennmittel, Bremsbeläge, Lacke und Farben, Katalysatoren, Batterien, Folien und Dichtungen und vieles mehr.

In der Autoindustrie z.B. wird Graphit immer wichtiger. Etwa 1,6 kg Graphit pro Kilowattstunde werden in einer Batterie benötigt. Auf ein Hybridfahrzeug gerechnet sind es dann 10 kg, auf ein voll elektrisch betriebenes Auto 50 kg  und bei leistungsstarken Fahrzeugen der Oberklasse (z.B. Tesla) sind es etwa 100 kg Graphit. Für die neue Gigafactory von Tesla in Nevada USA z.B., wo nicht nur Autobatterien sondern auch Komponenten für die Stromspeicherung produziert werden, sind 35 GWh pro Jahr geplant. Eine GWh entspricht der Erzeugung oder dem Verbrauch einer Milliarde Watt pro Stunde. Dies ist fast so viel wie die aktuelle Batterieproduktion der ganzen Welt zusammen oder anders gesagt rechnet man mit sechs neuen Flockengraphit-Minen um den Bedarf zu decken.

Graphit ist nicht gleich Graphit!

Man unterscheidet drei natürlich vorkommende Graphitarten:

Flocken-Graphit

  • Weniger häufig vorkommende Graphitform
  • Kohlenstoffanreicherung zwischen 85-98 %
  • 4x teurer als amorpher Graphit
  • Findet in vielen traditionellen und neuen Technologien (z.B. Li-Ionen-Batterien) Anwendung
  • Kleine, kristalline Flocken aus Graphit treten als isolierte, flache, plattenartige Teilchen mit hexagonalen Rändern auf
Flockengranit © acarbons.com

Flockengranit © acarbons.com

Amorpher Graphit

  • Am häufigsten vorkommende Form von Graphit
  • Vergleichsweise niedriger Kohlenstoffgehalt von 70-80 %
  • Geringste Reinheit
  • Nicht geeignet für die meisten Anwendungen

Hochkristalliner Graphit (Adern und Klumpen)

  • Wird nur in Sri Lanka abgebaut
  • Kohlenstoffgehalt zwischen 90-99 %
  • Knappheit und hohe Kosten schränken den Einsatz ein

Synthetischer Graphit oder Fulleren

Ein Fulleren ist ein durch Hochtemperatur gewandelter amorpher Graphit. Die Struktur sind hohle, geschlossene Moleküle mit häufig hoher Symmetrie. Dies macht ihn bis 10 Mal teurer als natürlicher Graphit und weniger attraktiv für die meisten technischen Anwendungen. Der Name “Graphitfaser” wird manchmal verwendet, um sich auf Kohlenstofffasern oder kohlenstofffaserverstärktes Polymer zu beziehen. Fullerene kommen in der Natur nur in unbedeutenden Konzentrationen vor und wurden mit Hilfe der Massenspektrometrie in einem durch Blitzeinschlag entstandenen glasartigen Fulgurit, in Kratern von Meteoriteneinschlägen und im Kerzenruss nachgewiesen.

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