Чому графіт - відмінний електропровідник 

Наукові принципи та промислове значення в графітових електродах

Графіт, кристалічний алотроп вуглецю, славиться своєю видатною електропровідністю, незважаючи на те, що він не метал. Ця виняткова властивість виникає внаслідок її унікальної атомної структури, делокалізованої поведінки електронів та сильно анізотропного кристалічного розташування. Ці функції роблять графіт незамінним у промислових додатках - особливо в графітових електродах, що використовуються для виготовлення сталевих та металургійних рефінансів на електричну дугову печі (EAF).

Атомна структура: шестикутна шарувата решітка

Графіт складається з атомів вуглецю, розташованих у двовимірній шестикутній решітці, яка поширюється на нескінченно в площині A-B. Кожен атом вуглецю утворює три сильні σ (Sigma) ковалентні зв’язки з сусідами, в результаті чого стабільні графенові шари з довжиною зв'язку приблизно 1,42 Å. Ці шари складаються вздовж осі С, утримуються слабкими силами Ван-дер Ваальса, з міжшаровою відстані 3,35 Å.

Кожен атом вуглецю має чотири валентні електрони: троє беруть участь у σ зв’язках, а четверта займає орбітальний орбітальний P_Z, перпендикулярний площині. Бічне перекриття цих орбіталей генерує розширену π (PI) електронну хмару, делокалізовану протягом усього шару.

Делокалізована π-електронна хмара: основа для високої провідності

Делокалізація π електронів дозволяє їм вільно рухатися в площині графену, утворюючи безперервну мережу носіїв мобільного заряду. Коли застосовується зовнішнє електричне поле, ці електрони мігрують з мінімальним розсіюванням, що призводить до високої провідності на площині та низького електричного опору.

Симетрія та рівномірність шестикутної решітки ще більше зменшують розсіювання та підвищують рухливість електронів, порівнянні з тією, що виявляється в певних металах.

Міжшарова електропровідність: обмежена, але значна

Хоча мобільність електронів найвища в межах площин, графіт також демонструє слабку, але помітну провідність поза площиною. Це пов’язано з квантовим тунелюванням та тепловим збудженням, що дає змогу невелику кількість електронів переходити між сусідніми шарами. Це явище сприяє тривимірній провідності графіту, хоча воно залишається дуже анізотропним-з провідністю в площині майже в 100 разів більшим, ніж провідність через площину.

Низька сполука електронно -фонона: підвищення ефективності при підвищеній температурі

Графіт демонструє низький спосіб електронно -фононного з’єднання, це означає, що взаємодія між вільними електронами та вібраціями решітки мінімальна. Це призводить до зниження розсіювання носія та підтримує електричні показники навіть при підвищеній температурі. У поєднанні з його ультагітною температурою плавлення (> 3600 ° C) та хімічною стабільністю графіт ідеально підходить для високотемпературних провідних додатків.

Графітові електроди: технічні характеристики та промислові програми

Унікальні провідні властивості Graphite роблять його матеріалом вибору для виготовлення графітових електродів, що використовуються в:

1. Електричні дугові печі (EAF) для первинного виготовлення сталі

2. Ліде печі (LF) для вторинної металургії та переробки

3. Літіум-іонний акумулятор анотесдує до інтеркаляційної ємності та провідності

4. Бруші в електродвигунах та генераторах для ефективного передачі струму

5. Електролітичні клітини Виробництво алюмінію, магнію та хлору

6. Високі температури, тиглі та ядерні модератори

Основні технічні параметри (клас UHP)

Висновок

Надзвичайна провідність Graphite є результатом його делокалізованої π-електронної мережі в межах надійних графенових шарів. Це в поєднанні з анізотропною провідністю, термічною стійкістю та низькими втратами енергії відрізняє графіт від більшості неметалів і навіть деяких металів. Ці властивості лежать в основі його домінування в металургійній, енергетичній та електрохімічній промисловості - де графітові електроди є центральними для ефективності, довговічності та продуктивності.