La grafite è cruciale nelle batterie grazie alla sua capacità di condurre elettricità e intercalare ioni senza degradarsi, supportando efficacemente i processi di carica e scarica. Nelle batterie agli ioni di litio, essa svolge un ruolo fondamentale nell’anodo, facilitando il flusso e l’immagazzinamento degli ioni di litio.
Durante la carica, gli ioni si spostano dal catodo all’anodo di grafite, dove vengono accolti e immagazzinati; durante la scarica, vengono rilasciati e attraversano l’elettrolita per tornare al catodo, generando energia. La struttura lamellare della grafite permette che questo processo si ripeta per molti cicli, garantendo stabilità e durata alla batteria.
Anche nelle batterie alcaline la grafite è presente come substrato nell’anodo, dove supporta l’ossidazione dello zinco durante la scarica, mentre nel catodo si trova il biossido di manganese. Nelle batterie al piombo, pur non essendo utilizzata come materiale per gli elettrodi, la grafite è impiegata nei connettori e nei separatori interni per migliorare la conduzione.
La scelta tra grafite naturale e sintetica per le batterie agli ioni di litio ha un impatto significativo sulle prestazioni e sulla durata del dispositivo. Vediamo nel dettaglio quali sono le principali differenze.
Utilizzi della grafite nelle batterie
- Anodo: la grafite è uno dei materiali più utilizzati come anodo nelle batterie agli ioni di litio. Questa scelta non è casuale, ma si basa su una serie di proprietà che la rendono particolarmente adatta a questa funzione.
- Catodo: in alcune tipologie di batterie, come le batterie a litio-ferro fosfato (LFP), la grafite può essere utilizzata anche nel catodo, sebbene sia meno comune rispetto all’anodo.
- Separatore: la grafite può essere utilizzata come componente del separatore, una membrana porosa che separa l’anodo dal catodo, permettendo il passaggio degli ioni di litio ma impedendo un cortocircuito. In questo caso, la grafite viene spesso combinata con altri materiali per migliorare le prestazioni del separatore.
- Additivi: la grafite può essere aggiunta come additivo ad altri materiali attivi dell’elettrodo per migliorare la conducibilità elettrica o la stabilità strutturale.
Utilizzi della grafite naturale
La grafite naturale, oltre ad essere un componente fondamentale nelle batterie agli ioni di litio, trova un’ampia gamma di applicazioni in diversi settori industriali. Ecco alcuni dei suoi principali utilizzi:
- Matite: la grafite è il componente principale delle mine delle matite, grazie alla sua capacità di lasciare un segno sulla carta.
- Spazzole per motori elettrici: la grafite viene utilizzata per la produzione di spazzole per motori elettrici, grazie alla sua buona conducibilità elettrica e alla resistenza all’usura.
- Fonderie: la grafite viene impiegata nelle fonderie per la produzione di stampi e crogioli, grazie alla sua resistenza alle alte temperature e alla corrosione.
- Produzione dell’acciaio: la grafite naturale viene utilizzata come materiale refrattario nei forni per la produzione dell’acciaio, grazie alla sua elevata resistenza alle alte temperature e all’usura.
- Elettrodi: la grafite viene impiegata come materiale per la produzione di elettrodi in diverse applicazioni industriali, tra cui l’elettrolisi e la produzione di alluminio.
- Coloranti: la grafite in polvere viene utilizzata come pigmento nero in alcuni tipi di vernici e inchiostri.
- Lubrificanti: le proprietà lubrificanti della grafite la rendono un componente essenziale in molti lubrificanti, sia solidi che liquidi. Viene impiegata per ridurre l’attrito e l’usura in diverse applicazioni industriali.
- Compositi: la grafite viene utilizzata come rinforzo in alcuni materiali compositi, migliorandone la resistenza e la conducibilità elettrica.
In sintesi, la grafite naturale è un materiale versatile con proprietà uniche, che la rendono adatta ad una vasta gamma di applicazioni industriali. Per la sua capacità di resistere alle alte temperature, la buona conducibilità elettrica e le proprietà lubrificanti è un materiale molto apprezzato in diversi settori.
Grafite sintetica, che cos’è, caratteristiche
La produzione di grafite sintetica ebbe inizio nel dicembre 1895 proprio negli Stati Uniti, con il brevetto per la grafitizzazione del carbonio. L’elettrografite ottenuta venne inizialmente impiegata per la realizzazione di elettrodi, e da allora la grafite ha acquisito un ruolo sempre più rilevante in molti settori industriali. La grafite sintetica si ottiene principalmente da carbone di petrolio greggio e pece, che fungono da base e legante. Queste materie prime vengono miscelate per creare una massa omogenea e successivamente lavorate e raffinate attraverso processi ad alta temperatura, che variano in base alle proprietà richieste.
La morfologia della grafite sintetica può spaziare da polveri fini a grani irregolari e aghiformi nei prodotti più grossolani. Il processo produttivo inizia con la miscelazione di coke e grafite con leganti carboniosi, seguita dalla modellatura tramite stampaggio isostatico, estrusione o altre tecniche.
I corpi pressati, detti “verdi”, vengono poi riscaldati senza ossigeno a circa 1.000°C per formare legami tra le particelle. La fase finale di grafitizzazione, a circa 3.000°C, trasforma il carbonio amorfo in una struttura di grafite tridimensionale. Infine, i prodotti grafitizzati vengono lavorati meccanicamente per realizzare componenti complessi.
Grafite naturale vs. grafite sintetica: confronto sulle prestazioni delle batterie
Struttura Cristallina e Purezza
- Grafite Naturale: presenta una struttura cristallina più disordinata e impurità che possono influenzare la conducibilità elettrica e la capacità di immagazzinare energia.
- Grafite Sintetica: ha una struttura cristallina più uniforme e una maggiore purezza, garantendo una migliore conducibilità e una maggiore densità energetica.
Prestazioni
- Densità Energetica: la grafite sintetica, grazie alla sua struttura più ordinata, può ospitare più ioni di litio, aumentando così la capacità della batteria.
- Potenza: la grafite sintetica consente una ricarica più rapida e una maggiore potenza di scarica, rendendola ideale per dispositivi che richiedono picchi di energia.
- Ciclo di Vita: entrambe le tipologie offrono un buon numero di cicli di carica e scarica, ma la grafite sintetica, grazie alla sua maggiore stabilità, può garantire una durata leggermente superiore.
Costi e Disponibilità
- Costi: la grafite sintetica, al momento, è generalmente più costosa da produrre rispetto a quella naturale. Tuttavia, con l’aumento della produzione e l’ottimizzazione dei processi, si prevede una riduzione dei costi.
- Disponibilità: la grafite naturale è più abbondante, ma la sua estrazione può comportare impatti ambientali. La grafite sintetica, al contrario, può essere prodotta in modo più controllato
| Caratteristica | Grafite Naturale | Grafite Sintetica |
|---|---|---|
| Struttura cristallina | Disordinata, impura | Ordinata, pura |
| Densità energetica | Inferiore | Superiore |
| Potenza | Inferiore | Superiore |
| Ciclo di vita | Buono | Molto buono |
| Costi | Più bassi | Più alti |
| Disponibilità | Alta | Dipende dalla produzione |
Stellantis sulle batterie utilizzerà la grafite sintetica
Stellantis ha annunciato l’uso della grafite sintetica per le batterie delle sue auto elettriche negli Stati Uniti. Questa scelta rappresenta una strategia per ridurre la dipendenza dalla Cina, che controlla circa il 90% della fornitura globale di grafite, un materiale essenziale per gli anodi delle batterie al litio, dato che ogni batteria ne contiene tra 50 e 100 kg.
La grafite perciò ha una grande importanza per lo sviluppo di batterie per auto elettriche; per questo Stellantis ha firmato un contratto con l’azienda statunitense Novonix per l’approvvigionamento di grafite sintetica destinata ai fornitori nordamericani di celle del gruppo. L’accordo, operativo dal 2026 al 2031, prevede la fornitura di 86.250-115.000 tonnellate di grafite ad alte prestazioni.
I materiali saranno prodotti nello stabilimento di Novonix a Riverside e in un nuovo impianto nel sud-est degli Stati Uniti, che inizierà con una capacità di 30.000 tonnellate annue e potrà espandersi fino a 75.000 tonnellate.
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