De couleur noire, le graphite est un minéral à la structure cristalline hexagonale.
Le graphite est un matériau tendre, qui possède une dureté faible de 1 à 2 sur l’échelle de Mohs et un point de fusion de 3500°C.
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 est en métal.
Le Graphite est stable à pression et température ordinaire, son apparence est celle d’un solide noire.
Le graphite peut être naturel ou élaboré industriellement par pyrolyse de substances organiques telles que les houilles, le pétrole, les polymères, les hydrocarbures, les brais (obtenus par distillation des goudrons).
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La pyrolyse se traduit par le départ des matières volatiles contenues dans les matières premières, par la rupture de liaisons dans les hydrocarbures, par des polymérisations et par l’élimination de l’hydrogène.
Lorsque la pyrolyse se traduit par un ramollissement des matières premières (par formation d’une phase liquide) on a cokéfaction : on obtient ainsi le coke et les produits carbonés aptes à la graphitation.
La formation d’une phase liquide qui facilite la mobilité des molécules permet aux molécules aromatiques polycondensées de s’orienter en couches parallèles qui faciliteront ainsi la formation de graphite tridimensionnel.
Le graphite naturel est disponible en plusieurs formes :
Les minerais, après broyage, sont enrichis par flottation, le graphite étant naturellement hydrophobe.
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La production chinoise provient, principalement, des provinces de Heilongjiang et Shandong.
En novembre 2017, la société australienne Syrah Resources a commencé à produire, dans sa mine à ciel ouvert de Balama avec, en 2023, une production de 94 000 t de graphite en paillettes à une teneur de 98 %.
La capacité de production est de 350 000 t/an.
Les réserves prouvées et probables sont de 110 millions de t de minerai renfermant 16,4 % de graphite.
Le minerai renfermant également du vanadium avec une teneur de 0,23 % de V2O5, l’exploitation de cette coproduction est envisagée.
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La production brésilienne provient de l’État du Minas Gerais.
Madagascar produit, depuis 1907, du graphite de qualité exceptionnelle. En 1925, Madagascar était premier exportateur mondial.
Exploité à ciel ouvert, la teneur, de 3 à 10 % est concentrée, par flottation, à 85 - 90 %.
En Inde, en 2018-19, la production provient à 59 % de l’État d’Odisha, avec les mines du district de Nuwapara et à 40 % de celui de Jharkhand, avec les mines du district de Palamau.
La société Krasnoyarskgrafit exploite le gisement de Kureyskoe situé à la confluence de la rivière Kureika et du fleuve Ienisseï.
La société UralGraphite exploite la mine à ciel ouvert de Taiginsky dans la région de Chelyabinsk, depuis 1942.
La mine du Lac-des-Iles, située au Québec, qui était exploitée depuis 1989, par Imerys.
La mine, à ciel ouvert, a une capacité de production de 25 000 t/an.
En décembre 2021, la mine a été acquise par Northern Graphite.
En 2023, la production a été de 4 261 t de concentré de graphite et les ressources indiquées sont de 3,29 millions de t renfermant 6,4 % de graphite.
La mine Black Crystal, en Colombie Britannique est exploitée, depuis 2016, à ciel ouvert, par Eagle Graphite.
En 2019, la production est de 92 592 t de minerai renfermant 9 % de paillettes soit 7 500 t de graphite avec une pureté comprise entre 94 et 98 %.
La mine de Kearney, dans l’Ontario, exploitée par Ontario Graphite, prévoit une production de 22 000 t/an.
La mine avait extrait entre 1989 et 1994 17 000 t de graphite.
Voici une estimation de la production de graphite naturel en milliers de tonnes pour 2024 :
Voici une estimation des réserves de graphite naturel en millions de tonnes pour 2024 :
Comme produit réfractaire, le graphite présente l’avantage de ne pas être mouillé par les laitiers et les métaux en fusion et de posséder une bonne résistance aux chocs thermiques.
Il peut être utilisé seul dans les creusets de hauts fourneaux mais il est plutôt employé associé à d’autres matériaux réfractaires, par exemple en sidérurgie sous forme de revêtements magnésie-alumine-graphite dans le fond des poches de coulée de l’acier, sous forme de magnésie-graphite dans les convertisseurs à oxygène, les fours électriques à arc, les cordons de laitier des poches d’affinage, sous forme d’alumine-graphite pour les buses de coulée continue.
La consommation est d’environ 5 kg/t d’acier.
Les batteries lithium-ion utilisent des anodes obtenues à 65 % à partir de graphite naturel sphérique, 30 % à partir de graphite synthétique et 5 % à partir d’autres matériaux.
La quantité de graphite utilisé varie de 5 g pour un smartphone à 90 g pour un ordinateur portable et jusqu’à 70 kg pour un véhicule électrique.
Lors de la charge, les réactions inverses ont lieu.
L’électrolyte peut être un hexafluorophosphate de lithium, LiPF6, dissous dans un solvant organique.
Crayons : inventé par Nicolas-Jacques Conté, en 1794, le crayon graphite classique est consommé, dans le monde, au rythme de 50 millions d’unités par jour.
La mine est constituée par un mélange d’argile et de graphite, plus la teneur en argile est élevée, plus le crayon est dur.
En Europe, la dureté est donnée par une échelle du plus dur 9H au plus tendre 9B en passant par H, F, HB, B, le crayon étant d’autant plus noir qu’il est tendre.
La société Bic qui produisait les crayons graphite de marque Conté dans son usine de Boulogne-sur-Mer au rythme de 700 000 à 800 000 crayons en bois par jour a arrêté cette production après la mise sur le marché du crayon « Évolution » dont tous les composants, y compris la mine, sont fabriqués, par extrusion, à partir du même polymère de base.
Les matériaux en graphite artificiel sont souvent utilisés dans des applications qui demandent une grande pureté du graphite.
Pour cette raison, on utilise principalement comme matière première le coke de pétrole.
Sur une production mondiale annuelle de l’ordre de 25 millions de t de coke de pétrole, environ 1/3 est utilisée pour élaborer des produits carbonés.
Les matières premières calcinées sont broyées puis mises en forme à l’aide d’un liant (goudron ou surtout brais utilisés à 150-180°C).
La mise en forme est effectuée par extrusion pour des sections jusqu’à 50 mm de diamètre, par pressage hydraulique jusqu’à 1,2 m, par vibrotassage ou pilonnage pour des diamètres supérieurs.
Les produits obtenus, appelés produits crus, sont comparables à des produits céramiques avant cuisson.
Cuisson : elle consiste à réaliser la pyrolyse du liant, ce qui se traduit par un départ de matières volatiles et un retrait du produit qui peut atteindre jusqu’à 35 % en volume.
Afin d’éviter, dans le matériau, des contraintes internes importantes, la vitesse de chauffage ne dépasse pas 1°C par heure lorsque les pièces ont un volume important.
Imprégnation primaire : après cuisson, le produit peut subir une imprégnation primaire qui a pour objet de diminuer la porosité (qui peut atteindre 30 % du volume) créée lors de la cuisson.
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