גרפיטיזציה היא חוליה מרכזית בתהליך הייצור. מהו העיקרון שלה?

עקרון הגרפיטיזציה כרוך בטיפול בחום בטמפרטורה גבוהה (2300-3000 מעלות צלזיוס), אשר גורם לסידור מחדש של אטומי פחמן אמורפיים ולא מסודרים למבנה גבישי גרפיט תלת-ממדי מסודר ויציב מבחינה תרמודינמית. ליבת תהליך זה טמונה בשחזור סריג משושה באמצעות הכלאה SP² של אטומי פחמן, אשר ניתן לחלק לשלושה שלבים:

שלב גדילה מיקרוקריסטלינית (1000–1800°C):
בתוך טווח טמפרטורות זה, זיהומים בחומר הפחמן (כגון מתכות בעלות נקודת התכה נמוכה, גופרית וזרחן) מתחילים להתאדות ולהתנדף, בעוד שהמבנה המישורי של שכבות הפחמן מתרחב בהדרגה. גובה המיקרו-גבישים עולה מננומטר אחד בקירוב ל-10 ננומטרים, ומניח את היסודות לסידור נוסף.

שלב סידור תלת-ממדי (1800–2500°C):
ככל שהטמפרטורה עולה, חוסר היישור בין שכבות הפחמן פוחת, והמרווח בין השכבות מצטמצם בהדרגה ל-0.343–0.346 ננומטר (מתקרב לערך הגרפיט האידיאלי של 0.335 ננומטר). דרגת הגרפיטיזציה עולה מ-0 ל-0.9, והחומר מתחיל להפגין מאפייני גרפיט ייחודיים, כגון מוליכות חשמלית ותרמית משופרת משמעותית.

שלב שלמות גביש (2500–3000 מעלות צלזיוס):
בטמפרטורות גבוהות יותר, מיקרו-גבישים עוברים סידור מחדש, ופגמי סריג (כגון ריקנות ונקעים) מתוקנים בהדרגה, כאשר דרגת הגרפיטיזציה מתקרבת ל-1.0 (גביש אידיאלי). בנקודה זו, ההתנגדות החשמלית של החומר יכולה לרדת פי 4-5, המוליכות התרמית משתפרת פי 10 בקירוב, מקדם ההתפשטות הליניארית יורד ב-50-80%, והיציבות הכימית משתפרת משמעותית.

קלט של אנרגיה בטמפרטורה גבוהה הוא הכוח המניע העיקרי לגרפיטיזציה, הוא מתגבר על מחסום האנרגיה לסידור מחדש של אטומי פחמן ומאפשר את המעבר ממבנה לא מסודר למבנה מסודר. בנוסף, הוספת זרזים (כגון בורון, ברזל או פרוסיליקון) יכולה להוריד את טמפרטורת הגרפיטיזציה ולקדם דיפוזיה של אטומי פחמן ויצירת סריג. לדוגמה, כאשר פרוסיליקון מכיל 25% סיליקון, ניתן להפחית את טמפרטורת הגרפיטיזציה מ-2500-3000 מעלות צלזיוס ל-1500 מעלות צלזיוס, תוך יצירת סיליקון קרביד משושה המסייע ביצירת גרפיט.

הערך היישומי של גרפיטיזציה בא לידי ביטוי בשיפור מקיף של תכונות החומר:

• מוליכות חשמלית: לאחר גרפיטיזציה, ההתנגדות החשמלית של החומר יורדת משמעותית, מה שהופך אותו לחומר הלא מתכתי היחיד בעל מוליכות חשמלית מצוינת.
• מוליכות תרמית: מוליכות תרמית משתפרת פי 10 בקירוב, מה שהופך אותה למתאימה ליישומי ניהול תרמי.
• יציבות כימית: עמידות בפני חמצון ועמידות בפני קורוזיה משופרות, מה שמאריך את חיי השירות של החומר.
• תכונות מכניות: למרות שהחוזק עשוי לרדת, ניתן לשפר את מבנה הנקבוביות באמצעות הספגה, הגדלת הצפיפות ועמידות בפני שחיקה.
• שיפור טוהר: זיהומים מתנדפים בטמפרטורות גבוהות, מפחיתים את תכולת האפר במוצר פי 300 בקירוב ועומדים בדרישות טוהר גבוהות.

לדוגמה, בחומרי אנודה של סוללות ליתיום-יון, גרפיטיזציה היא שלב מרכזי בהכנת אנודות גרפיט סינתטיות. באמצעות טיפול בגרפיטיזציה, צפיפות האנרגיה, יציבות המחזור וביצועי הקצב של חומרי האנודה משתפרים משמעותית, מה שמשפיע ישירות על ביצועי הסוללה הכוללים. חלק מהגרפיט הטבעי עובר גם טיפול בטמפרטורה גבוהה כדי לשפר עוד יותר את דרגת הגרפיטיזציה שלו, ובכך למטב את צפיפות האנרגיה ואת יעילות הטעינה-פריקה.