Grafit – od ołówka do nieśmiertelnych baterii
Jeszcze przed trzydziestoma laty kojarzył się głównie z wkładem do ołówków – dziś grafit jest jednak tworzywem przyszłości, który może pomóc nam w transformacji energetycznej. Wykorzystywany w ciężkim przemyśle, ale także produkcji sprzętu medycznego i sportowego, jest najlepszym dowodem na fantastyczny potencjał węgla, który niesprawiedliwe cieszy się tylko złą sławą. Co potrafimy dziś stworzyć z grafitu?
Co to jest grafit i skąd się bierze?
Grafit jest jedną z naturalnych alotropowych odmian węgla, obok diamentu, fulerenu i grafenu. Swoje unikalne właściwości zawdzięcza krystalicznej, heksagonalnej strukturze atomów ułożonych na sobie warstwami o bardzo słabych wiązaniach pionowych. Nazwa minerału odnosi się do greckiego słowa graphein, czyli „pisać” – jego zdolność do pozostawiania po sobie śladów możliwych do wykorzystania w piśmiennictwie została po raz pierwszy wykorzystana już w XVI w.
Skąd bierzemy grafit? Naturalne pokłady grafitu znajdują się w skałach metamorficznych powstałych wskutek przemiany substancji organicznych. Wydobywa się go m.in. z łupków grafitowych i łupków krystalicznych, a czołowymi eksporterami na świecie są Chiny, Meksyk, Kanada, Brazylia, Mozambik i Madagaskar. Najwyższej jakości grafit żyłowy spotykany jest najrzadziej – jego pokłady zlokalizowane są przede wszystkim na Sri Lance. W Polsce łupki i wkładki skał grafitowych znajdowane są przede wszystkim w województwie dolnośląskim, w okolicach Stronia Śląskiego, Strzelina, Wałbrzycha i Bystrzycy Kłodzkiej.
Techniczne zastosowania grafitu wymagają wysokiego poziomu czystości surowca (powyżej 99%), którą najłatwiej jest uzyskać w procesie syntezy. Aby otrzymać grafit poddaje się węglowodory takie jak koks czy smoła węglowa działaniu wysokich temperatur (1700-2500°C).
Duża bryła grafitu, źródło: Henk Caspers/Naturalis Biodiversity Center, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Właściwości grafitu
Dobrze uformowane kryształy grafitu są w przyrodzie rzadkością – najczęściej minerał ma postać zbitej masy. Bardzo miękkie, tłuste i brudzące bryły mają szaroczarną barwę i dają się łatwo pokroić lub pokruszyć; nie są jednak elastyczne i nie dają się stłoczyć. Mają też charakterystyczny srebrzysty połysk, przypominający metal.
Jedną z najważniejszych właściwości grafitu jest jego przewodnictwo – materiał doskonale przewodzi ciepło i energię elektryczną. Jest też wysoce odporny na działanie kwasów i zasad, a rozpuszcza się tylko w stopionym niklu lub podgrzanym kwasie chlorosiarkowym, nigdy zaś w wodzie. Mimo że wygląda dość „brudnie” nie emituje też żadnych szkodliwych związków i nie jest toksyczny dla środowiska naturalnego. Naturalnie, jego syntetyczna produkcja nie jest ekologicznie obojętna i wiąże się z wysokimi emisjami gazów cieplarnianych.
Tabela przedstawiająca podstawowe informacje o graficie; opracowanie własne
Klasyczne zastosowania grafitu
Co roku na świecie zużywa się ponad 1,3 mln ton metrycznych naturalnego i syntetycznego grafitu – ponad połowa znajduje zastosowanie w produkcji materiałów i obiektów ogniotrwałych.
Oprócz ołówków grafit stosowany jest od dawna jako naturalny suchy smar, zmniejszający tarcie i zużycie ciężkiej maszynerii oraz pojazdów. Ze względu na wysoką ognioodporność jest doskonałym surowcem do produkcji tygli i innych naczyń laboratoryjnych, a także całych części urządzeń przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach, w tym różnego typu pieców. Wytwarza się z niego również impregnaty i farby antykorozyjne, a także powłoki stosowane m.in. w tarczach hamulcowych i sprzęgłach samochodów.
Dzięki wysokiemu przewodnictwu ciepła i elektryczności grafit od lat wykorzystywany jest też w procesie produkcji stali i żeliwa w formie elektrod montowanych w łukowych piecach elektrycznych. W reaktorach jądrowych natomiast pełni ważną funkcję spowalniacza neutronów, zwiększając bezpieczeństwo procesów w elektrowniach atomowych. Z kolei produkowane z grafitu szczotki węglowe znajdują zastosowanie w silnikach, gdzie umożliwiają przenoszenie ładunku elektrycznego.
Grafit znajduje zastosowanie w produkcji baterii do samochodów elektrycznych, jak również innych części motoryzacyjnych, fot. patruflo/envato
Grafit w nowoczesnych technologiach
Popyt na grafit wzrósł lawinowo w XXI w., po tym jak okazało się, że można z niego wytwarzać wysoce efektywne baterie litowo-jonowe stosowane m.in. w samochodach elektrycznych. Grafitowe anody odpowiedzialne są za przyciąganie jonów litu, warunek konieczny dla zaistnienia przepływu energii w ogniwie. Ponad grafit poprawia przewodnictwo wewnątrz ogniw prądotwórczych i ma działanie antykorozyjne. Zastosowanie to jest o tyle istotne, że nie tylko rynek pojazdów EV, ale także cały sektor odnawialnych źródeł energii zależą dziś od efektywności, pojemności i trwałości baterii.
Z grafitu pozyskuje się również włókna węglowe, które znajdują coraz szersze zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, gdyż są lżejsze niż wszystkie konwencjonalne materiały. Tym samym obniżają masę pojazdów, co z kolei przekłada się na zmniejszenie poziomu ich emisji. Syntetyczny grafit jest również szeroko wykorzystywany w przemyśle samolotowym i rakietowym, gdzie służy m.in. do wyrobu otworów wylotowych, pomp łopatkowych czy łożysk.
Wraz z rozwojem nauki i technologii zastosowania grafitu i pozyskiwanego z niego grafenu będą prawdopodobnie coraz szersze. Już dziś mówi się na przykład o diamentowych bateriach, których… nie trzeba będzie ładować! Jak to możliwe? Do produkcji wykorzystywane będą bloki promieniotwórczego grafitu pozyskanego z reaktorów jądrowych. Baterie takie generować będą małe ilości energii przez nawet tysiące lat, a naukowcy stworzyli już trzy pierwsze prototypy.
Grafit – najczęściej zadawane pytania
Czym jest grafit?
Grafit to jedna z alotropowych odmian węgla, w której atomy ułożone są w płaskich warstwach heksagonalnych. Charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną i elektryczną oraz odpornością na temperaturę.
Jakie są właściwości grafitu?
Doskonały przewodnik elektryczności i ciepła, wysoka odporność na temperaturę i korozję, łatwość łuszczenia się (miękkość), niska gęstość, smarowność.
Jakie są zastosowania grafitu?
• Elektrody w przemyśle (np. hutnictwo aluminium i stali)
• Smary techniczne (np. do łożysk pracujących w wysokiej temperaturze)
• Baterie litowo-jonowe (jako materiał anodowy)
• Materiały ogniotrwałe
• Pręty moderatorowe w reaktorach jądrowych
• Ołówki (grafit + glina)
Czy grafit przewodzi prąd?
Tak, grafit jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego dzięki ruchomym elektronom w warstwach węglowych.
Czy grafit jest bezpieczny?
Tak, grafit jest nietoksyczny i chemicznie obojętny. Jest stosowany m.in. w medycynie i elektronice. Należy jednak zachować ostrożność przy pracy z jego pyłem – może działać drażniąco na drogi oddechowe.
Opublikowany: 20 maja, 2025
- „Main uses of carbon and graphite” ECGA, https://ecga.net/main-uses-of-graphite/, 22/04/2025;
- “Top 25 Uses of Graphite You Should Know – Updated List” East Carbon, https://www.eastcarb.com/uses-of-graphite/, 22/04/2025;
- “Graphite” Earth Science Museum, University of Waterloo, https://uwaterloo.ca/earth-sciences-museum/resources/detailed-rocks-and-minerals-articles/graphite, 22/04/2025;
- “Graphite” University of Minnesota, https://commonminerals.esci.umn.edu/minerals-g-m/graphite, 22/04/2025;
- “Going green with graphite: Researchers turn plant waste into high-tech material” The University of Chicago, https://pme.uchicago.edu/news/going-green-graphite-researchers-turn-plant-waste-high-tech-material, 22/04/2025;
- “A closer look at graphite—its forms, functions and future in EV batteries” Charles Morris, https://chargedevs.com/features/a-closer-look-at-graphite-its-forms-functions-and-future-in-ev-batteries/, 22/04/2025;
