ทำไมกราไฟท์จึงเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม
2025-02-26
หลักการทางวิทยาศาสตร์และความเกี่ยวข้องทางอุตสาหกรรมในขั้วไฟฟ้ากราไฟท์
กราไฟท์ซึ่งเป็นผลึกของคาร์บอนมีชื่อเสียงในด้านการนำไฟฟ้าที่โดดเด่นแม้จะเป็นโลหะที่ไม่ใช่โลหะ คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมนี้เกิดขึ้นจากโครงสร้างอะตอมที่เป็นเอกลักษณ์พฤติกรรมอิเล็กตรอนที่ถูกทำลายและการจัดเรียงผลึก anisotropic สูง คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้กราไฟท์ขาดไม่ได้ในการใช้งานอุตสาหกรรมโดยเฉพาะอย่างยิ่งในอิเล็กโทรดกราไฟท์ที่ใช้สำหรับการผลิตเหล็กอาร์คอาร์คไฟฟ้า (EAF) และการกลั่นด้วยโลหะ
โครงสร้างอะตอม: lattice ชั้นหกเหลี่ยม
กราไฟท์ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนที่จัดเรียงในตาข่ายหกเหลี่ยมสองมิติซึ่งขยายไปเรื่อย ๆ ในระนาบ A-B แต่ละอะตอมคาร์บอนจะสร้างพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง (Sigma) สามตัวกับเพื่อนบ้านซึ่งส่งผลให้ชั้นกราฟีนที่มั่นคงมีความยาวพันธะประมาณ 1.42 Å เลเยอร์เหล่านี้วางอยู่ตามแนวแกน C ซึ่งจัดขึ้นโดยกองกำลังแวนเดอร์วาลส์ที่อ่อนแอด้วยระยะทาง interlayer ที่ 3.35 Å
แต่ละอะตอมคาร์บอนมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์สี่ตัว: สามคนมีส่วนร่วมในพันธบัตรσและที่สี่ครอบครองวงโคจร P_Z ตั้งฉากกับระนาบ การทับซ้อนด้านข้างของวงโคจรเหล่านี้สร้างคลาวด์อิเล็กตรอนแบบขยาย (pi) อิเล็กตรอนที่ขยายออกไปทั่วทั้งชั้น
คลาวด์π-electron delocalized: พื้นฐานสำหรับการนำไฟฟ้าสูง
การแยกตัวออกจากอิเล็กตรอนπช่วยให้พวกเขาเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในระนาบกราฟีนสร้างเครือข่ายผู้ให้บริการประจุมือถืออย่างต่อเนื่อง เมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้าภายนอกอิเล็กตรอนเหล่านี้จะอพยพด้วยการกระเจิงน้อยที่สุดส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าในระนาบสูงและความต้านทานไฟฟ้าต่ำ
ความสมมาตรและความสม่ำเสมอของตาข่ายหกเหลี่ยมช่วยลดการกระเจิงและเพิ่มความคล่องตัวของอิเล็กตรอนซึ่งเทียบได้กับที่พบในโลหะบางชนิด
ค่าการนำไฟฟ้า Interlayer: จำกัด แต่มีนัยสำคัญ
แม้ว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะสูงที่สุดในระนาบ แต่กราไฟท์ก็มีค่าการนำไฟฟ้าที่อ่อนแอ แต่โดดเด่น นี่เป็นเพราะการขุดอุโมงค์ควอนตัมและการกระตุ้นด้วยความร้อนซึ่งทำให้อิเล็กตรอนจำนวนน้อยสามารถเปลี่ยนระหว่างชั้นที่อยู่ติดกัน ปรากฏการณ์นี้มีส่วนช่วยในการนำไฟฟ้าสามมิติของกราไฟท์แม้ว่ามันจะยังคงเป็น anisotropic สูง-ด้วยการนำไฟฟ้าในระนาบนั้นสูงกว่าค่าการนำไฟฟ้าผ่านระนาบเกือบ 100 เท่า
การมีเพศสัมพันธ์อิเล็กตรอนต่ำ - โฟน: ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิสูง
กราไฟท์แสดงให้เห็นถึงการมีเพศสัมพันธ์อิเล็กตรอน - ฟอนนอนต่ำซึ่งหมายความว่าการโต้ตอบระหว่างอิเล็กตรอนอิสระและการสั่นสะเทือนของตาข่ายนั้นน้อยที่สุด สิ่งนี้ส่งผลให้การกระเจิงของผู้ให้บริการลดลงและรักษาประสิทธิภาพทางไฟฟ้าแม้ในอุณหภูมิที่สูงขึ้น เมื่อรวมกับจุดหลอมเหลวที่สูงเป็นพิเศษ (> 3600 ° C) และความเสถียรทางเคมีกราไฟท์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูง
ขั้วไฟฟ้ากราไฟท์: ข้อกำหนดทางเทคนิคและการใช้งานอุตสาหกรรม
คุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ของกราไฟท์ทำให้เป็นวัสดุที่เลือกสำหรับการผลิตขั้วไฟฟ้ากราไฟท์ที่ใช้ใน:
1. เฟอร์นิเจอร์อาร์คอิเล็กทริก (EAF) สำหรับการผลิตเหล็กหลัก
2. เตาเผา (LF) สำหรับโลหะวิทยาและการกลั่นที่สอง
3. lithium-ion battery anodesdue เพื่อความจุ intercalation และค่าการนำไฟฟ้า
4. แปรงในมอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับการถ่ายโอนปัจจุบันที่มีประสิทธิภาพ
5. electrolytic cells ในการผลิตอลูมิเนียมแมกนีเซียมและคลอรีน
6. เตาเผาอุณหภูมิสูงโครเคิลและผู้ดูแลนิวเคลียร์
พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สำคัญ (เกรด UHP)
| พารามิเตอร์ | ค่าทั่วไป |
| ความหนาแน่นจำนวนมาก | 1.68 - 1.73 g/cm³ |
| ความต้านทานไฟฟ้า | 4.5 - 5.8 μΩ· m |
| ความแข็งแรงของการโค้งงอ | ≥12 MPa |
| โมดูลัสของ Young | 8 - 14 เกรดเฉลี่ย |
| เนื้อหาเถ้า | ≤0.2% |
| Coef การขยายความร้อน | (1.0–1.2) ×10⁻⁶ /° C |
| หัวนม | 3TPI / 4TPI / 4TPIL |
| อุณหภูมิการทำงานสูงสุด | > 3000 ° C |
บทสรุป
ค่าการนำไฟฟ้าที่ไม่ธรรมดาของกราไฟท์เป็นผลมาจากเครือข่ายπ-electron delocalized ภายในชั้นกราฟีนที่แข็งแกร่ง สิ่งนี้รวมกับการนำความร้อน anisotropic เสถียรภาพความร้อนและการสูญเสียพลังงานต่ำตั้งค่ากราไฟท์นอกเหนือจากโลหะที่ไม่ใช่โลหะส่วนใหญ่และแม้กระทั่งโลหะบางชนิด คุณสมบัติเหล่านี้สนับสนุนการปกครองในอุตสาหกรรมโลหะการจัดเก็บพลังงานและอุตสาหกรรมเคมีไฟฟ้า - ที่ซึ่งขั้วไฟฟ้ากราไฟท์เป็นศูนย์กลางของประสิทธิภาพความทนทานและประสิทธิภาพ
