Graphite

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Sommaire

1 Le graphite

Le graphite

Le graphite est une forme naturelle du carbone pur qui se retrouve surtout dans les sédiments du métamorphisme régional. Il peut aussi être formé à partir de charbon organique, de magma ou par réduction des carbonates.

Il fut d’abord appelé plombaginite, mais un géologue allemand Abraham Gotlieb Werner ayant constaté qu’il ne contenait pas de plomb l’a renommé graphite étant donné qu’il servait pour écrire (graphein en grec veut dire écrire)

Le graphite doit son nom à Abraham Gottlob Werner qui l'a utilisé dans les crayons, où il est communément appelé "plomb", par opposition à la tête qui et en métal. Contrairement aux diamants (une autre forme allotropique du carbone), le graphite est un conducteur électrique, un métalloïde, et peut être utilisé, par exemple, dans les électrodes d'une lampe à arc.

Propriétés du Graphite

Le Graphite est stable à pression et température ordinaire, son apparence est celle d’un solide noire. Le graphite et le diamant sont les deux seuls polymères de carbone formés naturellement.

Sa structure est anisotrope (la cristallisation s’est faite dans une direction particulière, les contraintes n’étant pas homogène de chaque côté du prisme des contraintes, la structure du graphite est orienté en feuillet) ce qui confère des propriétés différentes au graphite selon sa direction.

Le carbone graphite est caractérisé par une faible densité (1,7), une résistance élevée à la traction et à la compression, une certaine flexibilité, une bonne conductivité électrique et thermique, une bonne résistance aux températures élevées et une grande inertie chimique (sauf à l’oxydation).

Le Graphite possède la caractéristique d'être la forme la plus stable du carbone dans des conditions standard. Par conséquent, il est utilisé en chimie de thermo comme l'état standard pour la définition de la chaleur de formation de composés carbonés.

Le Graphite peut être considéré comme le plus haut grade de charbon, juste sous l'anthracite et aussi appelée méta-anthracite, bien qu'elle est normalement utilisée comme le carburant parce qu'il est difficile à enflammer.

Utilisations du graphite

Son utilisation la plus connue est la fabrication des mines des crayons à papier

Mais on l’utilise pour de nombreuses autres applications:

dans des alliages de raquettes de tennis (Titane/fibre de verre/aluminium) pour alléger le poids des structures:
comme pièce de frottement ou comme joints d’étanchéité de part sa bonne résistance a la compression et sa flexibilité.
comme électrode ou conducteur pour sa bonne conductivité électrique.
comme adsorbant dans les charbons actifs utilisés en médecine pour sa grande inertie chimique.
dans la fabrication des cokes des hauts-fourneaux en sidérurgie pour son excellente résistance aux températures élevées.

Le graphite naturel est disponible en plusieurs formes: le graphite à paillettes, le graphite amorphe et le graphite de veine. Seul les graphites à paillettes et synthétique (qui est produit à partir de la coke de pétrole à l’aide d’un processus très coûteux) peuvent être utilisés dans les batteries lithium-ion qui sont cruciales pour l'industrie électronique grand public. Il est projeté que la demande de batteries lithium-ion augmentera rapidement à mesure que les moteursélectriques remplacent les moteurs à combustion dans les véhicules comme source d’«énergie verte». Ainsi, il est projeté que le Graphite en paillettes sera très en demande pour produire les centaines de millions de batteries lithium-ion requises pour ces voitures (Source: TechnologyMetalsResearch, LLC. Janvier 2011).

La production de graphite

Le graphite minier est l'un des allotropiques du carbone.

72% des réserves de graphite sont en Chine. la production mondiale de graphite devrait s'accroître de 30 % entre 2011 et 2016 pour atteindre 1 200 000 tonnes. (source : Merchant Research & Consulting)

La consommation mondiale de graphite naturel est estimée à 1,1 Mt en 2010.

Dépassant un million de tonnes par an, le marché du graphite est composé à 60 % de graphite amorphe et à 40 % de graphite en flocons. Seuls les flocons peuvent être raffinés à une pureté de 99,9 % pour être utilisé dans les piles à ion lithium.

Le marché du graphite est presque aussi grand que le marché du nickel (1,3 millions de tonnes par an), beaucoup plus important que les marchés du magnésium (429 millions de tonnes par an), du molybdène (180 millions de tonnes par an) ou du tungstène (55 millions de tonnes par an), et plus de 50 fois la taille des marchés du lithium ou des REE.

Le Graphite est extrait par à ciel ouvert et le méthode souterraine dans le monde entier. Les impacts environnementaux des usines de graphite composent de la pollution atmosphérique y compris exposition de particules fines des travailleurs et la contamination des sols résultant de déversements de poudre conduisant à de fortes contaminations des métaux du sol. Masques à poussière sont habituellement portés par les travailleurs pendant le processus de production afin d'éviter l'exposition des travailleurs au graphite fine de suspension dans l'air et le zircon silicate.

Lors de la dernière décennie, la demande industrielle pour le graphite a connu une croissance d'environ 5 pour cent par an en raison de l'industrialisation en cours en Chine, en Inde et dans d'autres économies « émergentes ». Cependant, dans le scénarios les plus optimistes, le potentiel de forte croissance pour l'industrie du graphite est la demande supplémentaire qui serait créée par un certain nombre d'initiatives écologiques, notamment les batteries Li-ion, les piles à combustible, l’énergie solaire et les semi-conducteurs. Plusieurs de ces applications ont le potentiel de consommer plus de graphite à elles seules que la totalité de la consommation actuelle

Les perspectives d’utilisation grandissantes du graphite proviennent des techniques d’affinage qui se sont améliorées et qui ouvrent la voie au développement de nouveaux débouchés. C’est la fabrication d’accumulateurs électriques (piles alcalines et lithium-ion) pour des véhicules hybrides et électriques qui devrait être le facteur le plus important favorisant la hausse de la demande pour du graphite de haute pureté.

Le graphite est notamment le second ingrédient en volume qui entre dans la fabrication d’accumulateurs au lithium-ion (Indmin – sept. 2011).

Ce domaine ne représente pour l’instant qu’une part très mince de la demande totale de graphite. Toutefois, la fabrication d’accumulateurs pourrait se faire à partir de graphite naturel ou synthétique. La décision d’utiliser l’un ou l’autre dépendra des performances qui en résulteront et des prix (USGS-2011).

Selon la USGS, le graphène et le Grafoil sont les matériaux liés au graphite qui connaîtront la croissance la plus rapide au cours des prochaines années. Néanmoins, cette croissance ne devrait pas affecter de façon importante la demande de graphite puisque ces matériaux n’en utilisent que d’infimes quantités. Les récentes publications scientifiques sur le graphène indiquent de nombreuses applications possibles particulièrement dans les domaines de l’électronique (écrans tactiles, panneaux lumineux, cellules solaires, etc.), des polymères, des nanotechnologies et de la détection du gaz. (source : mrnf.gouv.qc.ca/mines/industrie/mineraux)

La Chine produit plus de 80 % du graphite mondial. Cette croissance forte nécessite de plus en plus de cette ressource minérale stratégique. La demande interne pour le graphite s’accroit, pendant que la qualité décroit et que le peu de travailleurs disponibles, les standards environnementaux plus exigeants et les salaires qui grimpent ont des impacts sur le marché.

• Les dépôts de surface faciles à exploiter sont vidés, demandant une exploitation minière à des niveaux plus profonds associée à des couts d’exploitation plus élevés. • La majorité des mines chinoises sont petites et exploitées sur une base saisonnière. Les plus grosses sont sous la direction d’un groupe qui contrôle le prix de la commodité. • Le gouvernement chinois a règlementé l’exportation par une taxe de 20 % en plus d’une taxe sur la valeur ajoutée de 17 %. • Tous ces éléments, ont créé des inquiétudes chez les consommateurs et utilisateurs finaux autour du monde.

Le reyclage du graphite

Selon l'Usine Nouvelle : Un nouveau procédé de récupération du graphite synthétique dans les déchets de fonderie mis au point aux Etats-Unis serait capable d'approvisionner à lui seul 60% d'un marché annuel américain de 50000 tonnes. Le graphite provient du coke utilisé en sidérurgie et, mélangé à des oxydes de fer, il est généralement jeté. Le procédé d'ISI, démontré dans un premier pilote, le récupère par centrifugation, suivie de l'élimination du fer avec de l'acide chlorhydrique.