Grafiet heeft een breed scala aan bijna tegenstrijdige toepassingen. Een allotroop van koolstof en een van 's werelds zachtste mineralen, het gebruik varieert van schrijfgerei tot smeermiddelen. Het kan worden gemaakt in een één atoom dikke cilinder van grafeen, een supersterk materiaal dat wordt gebruikt in sportuitrusting. Grafiet kan zich gedragen als een metaal en elektriciteit geleiden, maar ook als een niet-metaal dat bestand is tegen hoge temperaturen.
Kristallijne structuur
Grafiet komt van nature voor als vlokken en aders in rotsbreuken of als amorfe brokken. De kristallijne basisstructuur van grafiet is een vlakke plaat van sterk gebonden koolstofatomen in hexagonale cellen. Deze vellen worden grafenen genoemd en stapelen zich op elkaar om volume te creëren, maar de verticale bindingen tussen de vellen zijn erg zwak. Door de zwakte van deze verticale bindingen kunnen de platen splijten en over elkaar glijden. Als een grafeenplaat echter horizontaal wordt uitgelijnd en gerold, is het resulterende materiaal 100 keer sterker dan staal.
Schrijf- en kunstenaarsmateriaal
"Lood" potloodkernen zijn gemaakt van een mengsel van klei en grafiet. Losjes gekloofde grafietvlokken markeren het papier en de klei fungeert als bindmiddel. Hoe hoger het grafietgehalte van de kern, hoe zachter het potlood en hoe donkerder het spoor. Er zit geen lood in wat bekend staat als loodpotloden. De naam is ontstaan in Europa toen grafiet "plumbago" of "zwart lood" werd genoemd vanwege zijn metalen uiterlijk. Het gebruik van grafiet als markering dateert uit de 16e eeuw in Noord-Engeland, waar volgens de lokale legende herders een nieuw ontdekte grafietafzetting gebruikten om schapen te markeren.
Smeermiddelen en vuurvaste materialen
Grafiet reageert met atmosferische waterdamp om een dunne film af te zetten over aangrenzende oppervlakken en vermindert de wrijving daartussen. Het vormt een suspensie in olie en verlaagt de wrijving tussen twee bewegende delen. Grafiet werkt op deze manier als smeermiddel tot een temperatuur van 787 graden Celsius (1450 graden Fahrenheit) en als anti-vastloopmateriaal tot 1315 graden Celsius (2399 graden Fahrenheit). Grafiet is een veelgebruikt vuurvast materiaal omdat het bestand is tegen hoge temperaturen zonder chemisch te veranderen. Het wordt gebruikt in productieprocessen variërend van staal- en glasproductie tot ijzerverwerking. Het is ook een asbestvervanger in remvoeringen van auto's.
Lithium-ion batterijen
Lithium-ionbatterijen hebben een lithiumkathode en een grafietanode. Terwijl de batterij wordt opgeladen, hopen positief geladen lithiumionen in de elektrolyt - een lithiumzoutoplossing - zich op rond de grafietanode. Een lithiumanode zou een krachtigere batterij maken, maar lithium zet aanzienlijk uit wanneer deze wordt opgeladen. Na verloop van tijd scheurt het oppervlak van de lithiumkathode, waardoor lithiumionen ontsnappen. Deze vormen op hun beurt gezwellen die dendrieten worden genoemd in een proces dat de batterij kan kortsluiten.
Grafeen technologie
Gewalste enkele grafeenplaten zijn 10 keer lichter en 100 keer sterker dan staal. Zo'n opgerolde plaat wordt ook wel grafeen genoemd, en deze afgeleide van grafiet is 's werelds sterkste geïdentificeerde materiaal en is gebruikt om supersterke, lichtgewicht sporten te maken uitrusting. Zijn hoge elektrische geleidbaarheid, lage lichtabsorptie en chemische weerstand maken het een ideaal materiaal voor de toekomst toepassingen, ook in medische implantaten zoals kunstmatige harten, flexibele elektronische apparaten en vliegtuigen onderdelen.