El principi de la grafitització implica un tractament tèrmic a alta temperatura (2300–3000 °C), que indueix la reorganització d'àtoms de carboni amorfs i desordenats en una estructura cristal·lina de grafit tridimensional ordenada termodinàmicament estable. El nucli d'aquest procés rau en la reconstrucció d'una xarxa hexagonal mitjançant la hibridació SP² d'àtoms de carboni, que es pot dividir en tres etapes:
Fase de creixement microcristal·lí (1000–1800 °C):
Dins d'aquest rang de temperatura, les impureses del material de carboni (com ara metalls de baix punt de fusió, sofre i fòsfor) comencen a vaporitzar-se i volatilitzar-se, mentre que l'estructura planar de les capes de carboni s'expandeix gradualment. L'alçada dels microcristalls augmenta des d'un nanòmetre inicial d'aproximadament 1 nanòmetre fins a 10 nanòmetres, establint les bases per a l'ordenació posterior.
Etapa d'ordenació tridimensional (1800–2500 °C):
A mesura que augmenta la temperatura, els desajustaments entre les capes de carboni disminueixen i l'espai entre capes es redueix gradualment fins a 0,343–0,346 nanòmetres (acostant-se al valor ideal de grafit de 0,335 nanòmetres). El grau de grafitització augmenta de 0 a 0,9 i el material comença a presentar característiques distintives del grafit, com ara una conductivitat elèctrica i tèrmica significativament millorada.
Etapa de perfecció cristal·lina (2500–3000 °C):
A temperatures més altes, els microcristalls experimenten un reordenament i els defectes de la xarxa (com ara vacants i dislocacions) es reparen progressivament, amb un grau de grafitització que s'acosta a 1.0 (cristall ideal). En aquest punt, la resistivitat elèctrica del material pot disminuir entre 4 i 5 vegades, la conductivitat tèrmica millora aproximadament 10 vegades, el coeficient d'expansió lineal disminueix entre un 50 i un 80% i l'estabilitat química millora significativament.
L'aportació d'energia a alta temperatura és la força motriu clau per a la grafitització, superant la barrera energètica per a la reorganització dels àtoms de carboni i permetent la transició d'una estructura desordenada a una estructura ordenada. A més, l'addició de catalitzadors (com ara bor, ferro o ferrosilici) pot reduir la temperatura de grafitització i promoure la difusió dels àtoms de carboni i la formació de xarxes. Per exemple, quan el ferrosilici conté un 25% de silici, la temperatura de grafitització es pot reduir de 2500-3000 °C a 1500 °C, alhora que es genera carbur de silici hexagonal per ajudar a la formació de grafit.
El valor d'aplicació de la grafitització es reflecteix en la millora integral de les propietats del material:
- Conductivitat elèctrica: Després de la grafitització, la resistivitat elèctrica del material disminueix significativament, convertint-lo en l'únic material no metàl·lic amb una excel·lent conductivitat elèctrica.
- Conductivitat tèrmica: La conductivitat tèrmica millora aproximadament 10 vegades, cosa que la fa adequada per a aplicacions de gestió tèrmica.
- Estabilitat química: Es millora la resistència a l'oxidació i la resistència a la corrosió, cosa que allarga la vida útil del material.
- Propietats mecàniques: Tot i que la resistència pot disminuir, l'estructura dels porus es pot millorar mitjançant la impregnació, augmentant la densitat i la resistència al desgast.
- Millora de la puresa: les impureses es volatilitzen a altes temperatures, reduint el contingut de cendres del producte aproximadament 300 vegades i complint els requisits d'alta puresa.
Per exemple, en els materials ànode de bateries de liti-ió, la grafitització és un pas fonamental en la preparació d'ànodes de grafit sintètic. Mitjançant el tractament de grafitització, la densitat d'energia, l'estabilitat del cicle i el rendiment de la velocitat dels materials ànode es milloren significativament, cosa que afecta directament el rendiment general de la bateria. Alguns grafits naturals també se sotmeten a un tractament d'alta temperatura per millorar encara més el seu grau de grafitització, optimitzant així la densitat d'energia i l'eficiència de càrrega-descàrrega.
Data de publicació: 09 de setembre de 2025