Zakaj je grafit odličen električni prevodnik 

Znanstvena načela in industrijski pomen v grafitnih elektrodah

Graphite, kristalni alotrop ogljika, je znan po svoji izjemni električni prevodnosti, čeprav je bil nedenik. Ta izjemna lastnost izhaja iz njene edinstvene atomske strukture, delokaliziranega vedenja elektronov in zelo anizotropne kristalne ureditve. Te lastnosti so v industrijskih aplikacijah, zlasti v grafitnih elektrodah, ki se uporabljajo za jeklarstvo in metalurško rafiniranje, zlasti v grafitnih elektrodah.

Atomska struktura: šesterokotna večplastna rešetka

Grafit je sestavljen iz ogljikovih atomov, razporejenih v dvodimenzionalni šesterokotni rešetki, ki se razteza v nedogled v ravnini A-B. Vsak ogljikov atom tvori tri močne σ (sigma) kovalentne vezi s sosedi, kar ima za posledico stabilne plasti grafena z dolžino vezi približno 1,42 Å. Te plasti se zlagajo vzdolž osi C, ki jih držijo šibke sile Van der Waals, z vmesno razdaljo 3,35 Å.

Vsak ogljikov atom ima štiri valenčne elektrone: trije sodelujejo v σ vezi, četrti pa zaseda orbitalno pravokotno pravokotno na ravnino. Stransko prekrivanje teh orbital ustvari razširjen π (PI) elektronski oblak, ki je delokaliziran po celotni plasti.

Delokaliziran π-elektronski oblak: osnova za visoko prevodnost

Delokalizacija π elektronov jim omogoča, da se prosto premikajo znotraj ravnine grafena in tvorijo neprekinjeno mrežo nosilcev mobilnih nabojev. Ko se uporablja zunanje električno polje, se ti elektroni migrirajo z minimalnim razprševanjem, kar ima za posledico visoko prevodnost v ravnini in nizko električno upornost.

Simetrija in enakomernost šesterokotne rešetke še bolj zmanjšujeta razprševanje in povečujeta mobilnost elektronov, primerljiva s tistim, ki jo najdemo v nekaterih kovinah.

Vmesna električna prevodnost: omejena, a pomembna

Čeprav je mobilnost elektronov najvišja znotraj ravnin, ima grafit tudi šibko, a opazno prevodnost zunaj ravnine. To je posledica kvantnega tuneliranja in toplotnega vzbujanja, ki omogočajo majhnemu številu elektronov na prehod med sosednjimi plastmi. Ta pojav prispeva k tridimenzionalni prevodnosti Graphite, čeprav ostaja zelo anizotropna-s prevodnostjo v ravnini je skoraj 100-krat večja od prevodnosti skozi ravnino.

Nizka sklopka elektronov in fononov: izboljšana učinkovitost pri povišanih temperaturah

Grafit prikazuje nizko povezavo z elektroni in fononom, kar pomeni, da so interakcije med prostimi elektroni in vibracijami rešetk minimalne. To ima za posledico zmanjšano razprševanje nosilcev in ohranja električne zmogljivosti tudi pri povišanih temperaturah. V kombinaciji z ultrahistom tališčem (> 3600 ° C) in kemično stabilnostjo je grafit idealen za visokotemperaturne prevodne aplikacije.

Grafitne elektrode: tehnične specifikacije in industrijske aplikacije

Edinstvene prevodne lastnosti Graphite omogočajo izbiro materiala za izdelavo grafitnih elektrod, ki se uporabljajo v:

1.električne ločne peči (EAF) za primarno izdelavo jekla

2. Podana peči (LF) za sekundarno metalurgijo in rafiniranje

3.Litij-ionska baterija anodesdue do medsebojne zmogljivosti in prevodnosti

4. Brushes v električnih motorjih in generatorjih za učinkovit prenos toka

5.Elektrolitične celice v proizvodnji aluminija, magnezija in klora

6. HIGHTARATURANE PEACE, KRVITI IN DUCEARNI MODERATI

Ključni tehnični parametri (ocena UHP)

Zaključek

Izjemna prevodnost Graphite je rezultat njegovega delokaliziranega π-elektronskega omrežja znotraj robustnih slojev grafena. To v kombinaciji z anizotropno prevodnostjo, toplotno stabilnostjo in nizko porabo energije loči grafit od večine neobdelanih in celo nekaterih kovin. Te lastnosti temeljijo na njegovi prevladi v metalurški, shranjevanju energije in elektrokemičnih industrijah - kjer so grafitne elektrode osrednje za učinkovitost, trajnost in zmogljivost.