Graphit - bekannt und begehrt

    Graphit ist ein gut bekanntes Material und auf dem Foto sind zwei seiner gewöhnlichen Anwendungen zu sehen: eine Getriebe-Dichtung und Bleistifte. Heute ist jedoch eine andere Anwendung von Graphit in den Fokus geraten. Nämlich Anoden für Lithium-Ionen-Batterien, die in immer größeren Mengen benötigt werden. Dies macht den unauffälligen Graphit zu einem der heißbegehrten Materialien. Er ist auch deswegen beliebt, weil er vollständig recycelt werden kann.

    Lithium-Ionen-Batterien sind zum Synonym für moderne Energiespeicherung geworden und versorgen Geräte von der Alltagselektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen. Wesentlich für ihren Betrieb ist die Anode, die einen erheblichen Einfluss auf ihre Leistung, Kapazität und Sicherheit hat. Die Anode dient als Gateway für Lithiumionen während der Lade- und Entladezyklen einer Lithium-Ionen-Batterie. Beim Laden der Batterie wandern Lithiumionen von der Kathode zur Anode und werden in der Batteriestruktur eingebettet. Umgekehrt kehren diese Lithium-Ionen beim Entladen zur Kathode zurück und geben dabei Energie ab. Durch diesen Wechsel der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden wird die Leistung der Batterie angekurbelt, sodass sie bei Bedarf Energie speichern und abgeben kann. Historisch gesehen war Graphit das Material der Wahl für Anoden in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien.
    Graphit ist ein sehr häufig vorkommendes Mineral und er ist eine allotrope bei Raumtemperatur und Normaldruck thermodynamisch stabile Modifikation von Kohlenstoff. Bei sehr hohem Druck (über 100.000 bar), Katalysatoren und hohen Temperaturen (um 2.400 °C) wandelt sich Graphit schnell in Diamanten um, der unter diesen Bedingungen thermodynamisch stabiler ist.
    Graphit ist gesundheitlich unbedenklich, weder brennbar noch versprödend, sehr flexibel, alterungs- und strahlungsbeständig und verfügt über den gesamten Temperaturbereich hinweg über gute mechanische Eigenschaften.
    Graphit entsteht in der Erdkruste dort, wo organische Überreste von Pflanzen und Tieren über Millionen von Jahren zusammengepresst werden. Außerdem sind hohe Temperaturen, meist durch unterirdische Magmaströme, notwendig. Seine gute elektrische Leitfähigkeit, hohe Oxidations- und Temperaturwechselbeständigkeit und sehr gute Schmiereigenschaften machen Graphit zu einem vielseitig einsetzbaren Material.
    In der Kristallstruktur von Graphit sind Sechsringe von Kohlenstoffatomen zu Schichten gestapelt, die untereinander nur schwach verbunden sind. Dadurch ist Graphit ein gutes Schmiermittel mit kristallinternen Gleitflächen. Diese Schichtstruktur ist auch für seine Funktion als Anode sehr wichtig. Sie bietet einen idealen Wirt für Lithium-Ionen und ermöglicht es ihnen, sich beim Laden und Entladen zwischen den Graphitschichten einzulagern. Dieses Interkalationsverhalten sorgt für reversible elektrochemische Reaktionen und bildet die Grundlage für den stabilen Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien.
    Die Internationale Energieagentur IEA listet aktuell den Graphit, neben Nickel, Kobalt, Kupfer und Lithium, als kritisches Material. Er erreicht den Weltmarkt in Form von bergmännisch gefördertem Graphiterzen sowie aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialen synthetisch hergestelltem Graphit.
    Obwohl die geschätzten Vorkommen von natürlichem Graphit in der Erdkruste bei 300 Mio. Tonnen liegen, werden derzeit nur ca. 1,3 Mio. Tonnen abgebaut. Die Produktion konzentriert sich dabei fast nur auf China. Kleinere Vorkommen gibt es auf Madagaskar, im Mosambik und Brasilien. Die weltweit größte Graphitmine befand sich 2022 in Mosambik und sie soll 50 Jahre lang betrieben werden.
    Als Ersatz für den natürlichen dient der synthetische Graphit, welcher sich u.a. aus Erdöl herstellen ließe. Durch Verkoken kohlenstoffhaltiger Materialien entstehen graphitierbare Kohlenstoffe. Ausgangssubstanzen sind neben dem Erdöl zum Beispiel Braunkohle, Steinkohle, Peche, aber auch Kunststoffe. Allerdings wird auch dieser Markt von China dominiert. Weitere Informationen zum Graphit und Materialien mit graphitischen Struktur können Sie hier lesen: Graphit
    Übrigens: Die ersten Graphitstifte gab es schon im 16. Jahrhundert; sie sollten die Schreib- und Zeichentechnik revolutionieren. Der Name Graphit leitet sich aus dem altgriechischen graphein ab, was schreiben bedeutet. Die Härtegrade kommen durch Beimengungen von Ton zustande. Der Bedarf an Graphit für Bleistifte ist äußerst gering.<<

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      Quelle: Bild der Wissenschaft, 09/2025