Natürlicher und synthetischer Graphit: Unterschiedliche Materialien für unterschiedliche Anwendungen

Natürlicher und synthetischer Graphit sind nicht zwei austauschbare Quellen desselben Standardprodukts. Sie folgen unterschiedlichen Produktionswegen, weisen unterschiedliche Kostenstrukturen und Verunreinigungsprofile auf und eignen sich für unterschiedliche Anwendungen.

Graphit wird häufig als einheitlicher Rohstoff betrachtet, tatsächlich umfasst der Markt jedoch zwei Materialien mit unterschiedlichen Ursprüngen, Produktionswegen und Leistungsmerkmalen: natürlichen Graphit, der aus mineralischen Lagerstätten abgebaut und aufbereitet wird, und synthetischen Graphit, der aus Kohlenstoffvorprodukten durch Hochtemperaturbehandlung hergestellt wird. Beide werden in Batterieanoden eingesetzt, doch jeder von ihnen findet auch Anwendungen, die der jeweils andere wirtschaftlich oder technisch nicht abdecken kann.

Warum Graphit wichtig ist

Die kommerzielle Bedeutung von Graphit beruht auf einer spezifischen Kombination von Eigenschaften:

• Elektrische Leitfähigkeit
• Hitzebeständigkeit
• Chemische Stabilität
• Schmiereigenschaften
• Fähigkeit zur Aufnahme von Lithium-Ionen in Batterieanoden

Keine einzelne Anwendung benötigt all diese Eigenschaften gleichzeitig. Dies ist einer der Gründe dafür, dass der Begriff Graphit Materialien mit sehr unterschiedlichen Spezifikationen umfasst.

Woher natürlicher Graphit stammt

Natürlicher Graphit wird je nach Lagerstätte als Flockengraphit, amorpher Graphit oder Ganggraphit abgebaut. Jede dieser Formen weist eine unterschiedliche Kristallstruktur, Partikelgröße und einen typischen Kohlenstoffgehalt auf, was wiederum bestimmt, für welche Endanwendungen sie sich ohne weitere Aufbereitung eignet. Nach der Gewinnung wird das Erz zerkleinert und einer Aufbereitung unterzogen, einer Kombination aus Flotation und physikalischen Trennverfahren, die den Graphitgehalt des geförderten Erzes konzentriert, das ansonsten einen hohen Anteil an taubem Gestein enthält.

Das Konzentrat wird anschließend chemisch oder thermisch gereinigt, um verbleibende Silikate, Metalloxide und andere Mineralien zu entfernen, die andernfalls seine Leistungsfähigkeit beeinträchtigen würden. Für die meisten industriellen Anwendungen reicht dieser Verarbeitungsgrad aus. Material in Batteriequalität erfordert einen weiteren, anspruchsvolleren Schritt: die Sphäronisierung, bei der die Flockenpartikel abgerundet werden, um die Packungsdichte und elektrochemische Leistung zu verbessern, gefolgt von einer Kohlenstoffbeschichtung, die die Partikeloberfläche schützt und die Zyklenstabilität in der fertigen Anode verbessert. Jeder dieser zusätzlichen Schritte erhöht die Kosten und führt zu Ausbeuteverlusten, was ein Grund dafür ist, dass natürlicher Graphit in Batteriequalität mit einem erheblichen Aufschlag gegenüber Material in Industriequalität gehandelt wird.

Wie synthetischer Graphit hergestellt wird

Synthetischer Graphit wird aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial hergestellt, typischerweise Petrolkoks oder Nadelkoks, das entsprechend der Zielanwendung ausgewählt wird. Insbesondere Nadelkoks wird für den Anoden- und Elektrodenmarkt geschätzt, da sich seine nadelförmige Mikrostruktur zu einem Material mit geringer Wärmeausdehnung und guter elektrischer Leitfähigkeit graphitieren lässt. Spezielle Petrolkokssorten werden gemahlen und mit Steinkohlenteer- oder Erdölpech vermischt, das als Bindemittel in geformten Graphitprodukten wie Elektroden dient. Die Mischung wird geformt und bei mittlerer Temperatur gebrannt, um flüchtige Bestandteile auszutreiben und die Form zu stabilisieren, und anschließend einer Hochtemperaturgraphitierung unterzogen, typischerweise bei über 2.500°C, wodurch die amorphe Kohlenstoffstruktur in die geordnete kristalline Struktur umgewandelt wird, die Graphit seine Eigenschaften verleiht. Das daraus entstehende Material wird je nach Endanwendung als Batterieanode, Elektrode oder spezielles Graphitbauteil bearbeitet, gemahlen, klassifiziert oder beschichtet. Der Graphitierungsschritt ist dabei mit Abstand der energieintensivste Teil des Prozesses.

Natürlicher Graphit im Vergleich zu synthetischem Graphit

Aus diesem Vergleich lassen sich einige Beobachtungen ableiten. Der Vorteil von synthetischem Graphit liegt in der Kontrolle: Da der Prozess mit einem ausgewählten Ausgangsmaterial beginnt und definierte thermische Schritte durchläuft, können Hersteller Partikelmorphologie und Reinheit innerhalb relativ enger Toleranzen einstellen. Der Vorteil von natürlichem Graphit liegt in den Kosten und der enthaltenen Energie: Abbau und Reinigung verbrauchen im Allgemeinen weniger Energie pro Tonne als die Graphitierung, sofern eine geeignete Lagerstätte verfügbar ist. Keiner dieser Vorteile gilt absolut, und die richtige Wahl hängt davon ab, welche Eigenschaft für die jeweilige Anwendung am wichtigsten ist.

Wichtige Anwendungen

Lithium-Ionen-Batterien und Batterie-Energiespeichersysteme (BESS). Sowohl natürlicher als auch synthetischer Graphit werden als aktives Anodenmaterial verwendet, häufig in Mischformulierungen, die den Kostenvorteil von natürlichem Graphit mit der Zyklenstabilität von synthetischem Graphit kombinieren, wie in unserem Überblick über die Rolle von Kohlenstoff in modernen Batterien beschrieben.

Elektroden für Elektrolichtbogenöfen. Dieser Markt wird überwiegend von synthetischem Graphit bedient, wobei die Qualität des zugrunde liegenden Nadelkokses und seine thermische Leistungsfähigkeit bei wiederholten Aufheiz- und Abkühlzyklen entscheidend für die Lebensdauer der Elektroden und deren Verbrauch im Stahlwerk sind.

Gießereien und Aufkohlungsmittel. Graphitierter Petrolkoks und andere verarbeitete Kohlenstoffmaterialien werden als Kohlenstoffzusätze in der Stahl- und Eisenproduktion eingesetzt, wo eine kontrollierte Kohlenstoffaufnahme mit geringem Verunreinigungsgehalt die wichtigste Anforderung darstellt.

Feuerfestmaterialien. Natürlicher Flockengraphit und anwendungsspezifische synthetische Sorten werden beide in kohlenstoffhaltigen feuerfesten Steinen und monolithischen Auskleidungen eingesetzt, abhängig von den thermischen und mechanischen Anforderungen des Behälters, den sie schützen.

Schmierstoffe und Reibmaterialien. Natürlicher Graphit und speziell verarbeitete Graphitsorten werden wegen ihrer lamellaren Struktur geschätzt, die es den Schichten ermöglicht, unter Belastung gegeneinander zu gleiten.

Expandierbarer Graphit und Flammschutzanwendungen. Hier kommen im Allgemeinen geeignete natürliche Flockengraphitsorten zum Einsatz, deren geschichtete Struktur es ihnen ermöglicht, sich bei Erwärmung schnell auszudehnen und eine isolierende Kohlenstoffschicht zu bilden.

Spezielle Hochtemperaturanwendungen. Bauteile aus synthetischem Graphit, Tiegel, Heizelemente und Ofenteile nutzen die Kombination aus thermischer Stabilität, Bearbeitbarkeit und chemischer Inertheit des Materials bei Temperaturen, bei denen die meisten Metalle versagen würden.

Anwendungsspezifische Qualitätsparameter

Die Materialauswahl sollte auf den Parametern basieren, die für die jeweilige Anwendung tatsächlich erforderlich sind, darunter:

• Reinheit und Aschegehalt
• Schwefel und Stickstoff
• Spurenmetalle
• Kristallinität
• Partikelgrößenverteilung und Morphologie
• Klopfdichte und Oberfläche
• Elektrische und thermische Leitfähigkeit
• Elektrochemische Leistung bei Batteriequalitäten

Keiner dieser Parameter ist universell wichtig. Für einen Käufer von Feuerfestmaterialien spielt die elektrochemische Leistung kaum eine Rolle, während ein Käufer von Batterieanodenmaterial die Klopfdichte wahrscheinlich nicht unter denselben Bedingungen spezifizieren wird wie ein Hersteller von Schmierstoffen. Die Definition der Parameter, die die Leistung in der vorgesehenen Anwendung tatsächlich bestimmen, und deren Aufnahme in die Kaufspezifikation ist ein zuverlässigerer Ausgangspunkt als die Bestellung von „Graphit in Batteriequalität“ oder „hochreinem“ Graphit ohne weitere Definition.

Europäischer Lieferkettenkontext

Natürlicher Graphit steht auf der EU-Liste der kritischen Rohstoffe, was Europas begrenzte Kapazitäten beim heimischen Abbau und bei der Verarbeitung widerspiegelt. Die Internationale Energieagentur schätzt, dass China mehr als 90% der weltweiten Graphitveredelung und Produktion von aktivem Anodenmaterial ausmacht. Diese Konzentration umfasst sowohl die Reinigung von natürlichem Graphit als auch den bei synthetischem Material eingesetzten Graphitierungsschritt. Für europäische Käufer machen diese Konzentration sowie Herkunft, Verarbeitungsstandort und Widerstandsfähigkeit der Lieferkette eigenständige und preisunabhängige Beschaffungsfragen relevant.

Zwei Entwicklungen könnten die für europäische Käufer verfügbare Lieferbasis schrittweise erweitern. Erstens ziehen das Recycling von Graphit aus gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien Investitionen an, da zurückgewonnener Graphit grundsätzlich mit geringerem Energieaufwand als bei der Primärproduktion zu Material in Anodenqualität wiederaufbereitet werden kann. Zweitens werden neue Verarbeitungs- und Reinigungstechnologien, darunter einige, die darauf ausgelegt sind, die Umweltbelastung der Reinigung zu reduzieren, außerhalb der traditionellen Produktionszentren erprobt. Keine dieser Entwicklungen kann die bestehende Lieferkette derzeit in großem Maßstab ersetzen, doch beide sollten von jedem Käufer beobachtet werden, der eine mehrjährige Beschaffungsstrategie entwickelt.

Fazit für die Beschaffung

Die Materialauswahl sollte bei der Anwendung und den dafür erforderlichen Leistungsmerkmalen beginnen und nicht bei der allgemeinen Produktbezeichnung „Graphit“. Ein Anodenmaterial in Batteriequalität, eine Graphitelektrode, ein Aufkohlungsmittel aus graphitiertem Petrolkoks und ein spezielles Graphitbauteil sind vier unterschiedliche Produkte mit vier unterschiedlichen Spezifikationssätzen, selbst wenn ihnen dasselbe chemische Element zugrunde liegt.

Die Arbeit von Prime Elements in diesem Bereich basiert auf fundiertem Wissen über vorgelagerte Kohlenstoffmaterialien: der Beschaffung und Qualifizierung von Petrolkoks als Ausgangsmaterial für ausgewählte synthetische Graphitprodukte, dem Verständnis von Schwefel, Asche, Metallen und struktureller Konsistenz sowie der Anwendung desselben Know-hows zur Kalzinierung und Graphitierung, das Kohlenstoffmaterialien für Batterielieferketten zugrunde liegt. Prime Elements bietet derzeit keinen Graphit in Batteriequalität als Teil seines Portfolios an; dieser Artikel dient als Markt- und Beschaffungsreferenz und nicht als Produktbeschreibung.