Γιατί χρησιμοποιείται ο άνθρακας ως ηλεκτρόδιο;

Στη σύγχρονη τεχνολογία και βιομηχανία, η επιλογή των υλικών ηλεκτροδίων είναι ζωτικής σημασίας. Από τη βιομηχανία ηλεκτρόλυσης έως τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, τα υλικά άνθρακα κατέχουν πάντα βασική θέση στα υλικά ηλεκτροδίων. Γιατί όμως ο άνθρακας μπορεί να ξεχωρίζει ανάμεσα σε πολυάριθμα υλικά; Αυτό είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με τις μοναδικές φυσικές του ιδιότητες, τη χημική του σταθερότητα, το πλεονέκτημα κόστους και την ευρεία εφαρμογή του.

Φυσικές ιδιότητες Πλεονεκτήματα του άνθρακα ως ηλεκτροδίων

Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Ο γραφίτης είναι ένα είδος αλλοτροπίου του άνθρακα, το οποίο έχει μια τυπική στρωματοποιημένη δομή. Τα άτομα άνθρακα σε κάθε στρώμα υβριδοποιούνται σε sp²για να σχηματίσουν ένα εξαγωνικό επίπεδο. Και τα ηλεκτρόνια εντός των στρωμάτων μπορούν να κινούνται ελεύθερα, προσδίδοντάς του εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα (έως και 10⁴ S/m). Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά τον άνθρακα αποτελεσματικό μέσο για τη μετάδοση ηλεκτρονίων στο ηλεκτρόδιο. Όταν ο άνθρακας χρησιμοποιείται ως ηλεκτρόδιο μπαταρίας, μπορεί να μεταφέρει γρήγορα ηλεκτρόνια κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, μειώνοντας τις απώλειες εσωτερικής αντίστασης. Σε μια ηλεκτρολυτική κυψέλη, η υψηλή αγωγιμότητα μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας και να βελτιώσει την απόδοση της αντίδρασης. Αν και η ηλεκτρική αγωγιμότητα του άνθρακα είναι ελαφρώς κατώτερη από εκείνη του χαλκού και του αλουμινίου, έχει πιο ολοκληρωμένα πλεονεκτήματα σε σενάρια όπως η αντοχή στη διάβρωση και το μικρό βάρος.

Χαμηλή πυκνότητα

Η πυκνότητα του άνθρακα είναι πολύ χαμηλότερη από εκείνη των μεταλλικών υλικών ηλεκτροδίων, συνήθως μεταξύ 1,5 και 2,3 g/cm.³. Αυτό το χαρακτηριστικό το καθιστά απαραίτητο σε τομείς ευαίσθητους στο βάρος, όπως οι μπαταρίες και οι φορητές ηλεκτρονικές συσκευές. Η χρήση υλικών άνθρακα ως αρνητικό ηλεκτρόδιο μπορεί να μειώσει σημαντικά το βάρος της μπαταρίας και να αυξήσει την ενεργειακή πυκνότητά της. Επιπλέον, σε τομείς υψηλής τεχνολογίας, όπως η αεροδιαστημική, το πλεονέκτημα του ελαφρού βάρους των ηλεκτροδίων άνθρακα μπορεί να μειώσει άμεσα το φορτίο του εξοπλισμού και να βελτιστοποιήσει τη συνολική απόδοση.

Δομική ποικιλομορφία

Η μικροδομή του άνθρακα μπορεί να λάβει διάφορες μορφές μέσω της ρύθμισης της διεργασίας:

Στρωτή δομή

Η ενδολαµελική απόσταση του γραφίτη είναι περίπου 0,335 nm, η οποία επιτρέπει στα ιόντα λιθίου να παρεµβάλλονται. Αυτό τον καθιστά ιδανικό υλικό για το αρνητικό ηλεκτρόδιο των μπαταριών λιθίου. Ο ρυθμός διάχυσης των ιόντων λιθίου μπορεί να φθάσει το 10^-10 cm²/s, εξασφαλίζοντας έτσι ταχεία φόρτιση και εκφόρτιση.

Πορώδης δομή

Μετά την επεξεργασία ενεργοποίησης, η ειδική επιφάνεια του ενεργού άνθρακα φτάνει πάνω από 2000 m²/g. Λόγω του τρισδιάστατου δικτύου πόρων, μπορεί να αποθηκεύσει φορτία σε υπερπυκνωτές μέσω του φαινομένου διπλής στρώσης και η πυκνότητα ισχύος μπορεί να φθάσει τα 10 kW/kg.

Νανοδομή

Οι μονοδιάστατες/διδιάστατες μορφές νανοσωλήνων άνθρακα και γραφενίου διαθέτουν τόσο υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα όσο και μηχανική αντοχή. Έτσι, είναι κατάλληλες για χρήση ως ηλεκτρόδια σε εύκαμπτες ηλεκτρονικές συσκευές και προσαρμόσιμες σε σύνθετες συνθήκες εργασίας, όπως η κάμψη.

Χημικές ιδιότητες Πλεονεκτήματα του άνθρακα ως ηλεκτρόδια

Χημική σταθερότητα

Σε κανονική θερμοκρασία και πίεση, ο άνθρακας δύσκολα αντιδρά με διαλύματα οξέων, βάσεων ή αλάτων, οπότε μπορεί να διατηρήσει τη δομική του σταθερότητα σε πολύπλοκα ηλεκτροχημικά περιβάλλοντα. Στις ηλεκτρολυτικές κυψέλες της βιομηχανίας χλωροαλκαλίων, τα ηλεκτρόδια άνθρακα μπορούν να αντισταθούν στη διάβρωση των ισχυρά αλκαλικών ηλεκτρολυτών. Ακόμη και αν η θερμοκρασία αυξηθεί, η σταθερότητα του άνθρακα παραμένει εξέχουσα. Για παράδειγμα, ο γραφίτης, ένα απαραίτητο υλικό στην ηλεκτρόλυση σε υψηλές θερμοκρασίες, έχει σημείο τήξης που μπορεί να φτάσει τους 3652℃ σε αδρανή ατμόσφαιρα.

Αντοχή στη διάβρωση

Το πλεονέκτημα του άνθρακα ως προς την αντοχή στη διάβρωση είναι ιδιαίτερα σημαντικό. Τα ηλεκτρόδια άνθρακα διαβρώνονται δύσκολα σε ουδέτερους ή αλκαλικούς ηλεκτρολύτες και μπορούν να διατηρήσουν σταθερή ηλεκτρολυτική απόδοση. Επιπλέον, σε ιδιαίτερα διαβρωτικά σενάρια, όπως η χημική επεξεργασία υγρών αποβλήτων, η διάρκεια ζωής των ηλεκτροδίων άνθρακα είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των μεταλλικών υλικών. Και στη συνέχεια μειώνεται το κόστος συντήρησης του εξοπλισμού.

Καταλυτική απόδοση

Ορισμένα υλικά άνθρακα μπορούν να παρουσιάσουν καταλυτική δραστηριότητα μετά από τροποποίηση. Για παράδειγμα, μετά από πρόσμιξη με στοιχεία όπως άζωτο και βόριο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πορώδη άνθρακα ως καταλύτη για την αντίδραση αναγωγής οξυγόνου (ORR). Και μπορείτε συνήθως να τα εφαρμόσετε σε κυψέλες καυσίμου. Οι λειτουργικές ομάδες στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα μπορούν να προωθήσουν την αντίδραση εξέλιξης του υδρογόνου (HER) σε ηλεκτρολυμένο νερό. Αυτή η διπλή λειτουργία "αγωγιμότητα + κατάλυση" επιτρέπει στα ηλεκτρόδια άνθρακα να είναι τόσο αποτελεσματικά όσο και οικονομικά στον τομέα της μετατροπής ενέργειας. Και αποφεύγεται η πίεση του κόστους από την προσθήκη πρόσθετων καταλυτών πολύτιμων μετάλλων, όπως η πλατίνα.

Κόστος και δυνατότητα επεξεργασίας ηλεκτροδίων άνθρακα

Πλεονέκτημα κόστους

Οι πηγές άνθρακα είναι εξαιρετικά άφθονες: ο άνθρακας, το πετρελαϊκό κοκ κ.λπ. μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτες ύλες για ηλεκτρόδια άνθρακα. Και οι τιμές τους είναι πολύ χαμηλότερες από εκείνες των μετάλλων ή των σπάνιων υλικών. Επιπλέον, μέσω μεθόδων όπως η πύρωση σε υψηλή θερμοκρασία, η απανθράκωση και η ενεργοποίηση, μπορούν να παραχθούν μαζικά. Επειδή η διαδικασία παρασκευής των υλικών άνθρακα είναι ώριμη, το κόστος μειώνεται περαιτέρω. Αυτή η οικονομική αποδοτικότητα τους δίνει απόλυτο πλεονέκτημα σε βιομηχανικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας, όπως οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος και η βιομηχανία χλωροαλκαλίων.

Δυνατότητα επεξεργασίας

Τα υλικά άνθρακα μπορούν να υποστούν ευέλικτη επεξεργασία ανάλογα με τις ανάγκες:

Χύτευση σε σκόνη

Η σκόνη άνθρακα αναμιγνύεται με το συνδετικό υλικό και κυλιέται για να παραχθούν τα θετικά και αρνητικό ηλεκτρόδιο φύλλα μπαταριών λιθίου, με ελεγχόμενο πάχος εντός 50-150μm.

Υφανση ινών

Τα τρισδιάστατα υλικά όπως η τσόχα άνθρακα και το ύφασμα άνθρακα έχουν πορώδες 70%-80%. Αυτό αυξάνει την περιοχή αντίδρασης και είναι κατάλληλο για ηλεκτρολυτικά ηλεκτρόδια νερού.

Διαδικασία επικάλυψης

Ο πολτός άνθρακα επικαλύπτεται σε μεταλλικά υποστρώματα (όπως πλέγμα τιτανίου) για την παρασκευή σύνθετων ηλεκτροδίων με ηλεκτρική αγωγιμότητα και αντοχή στη διάβρωση. Μπορείτε να τα χρησιμοποιήσετε στον τομέα της ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης.

Κύριοι τομείς εφαρμογής των ηλεκτροδίων άνθρακα

Πεδία ενέργειας και μπαταριών

Στις μπαταρίες λιθίου, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ως άνοδο γραφίτη. Η στρωματοποιημένη δομή του γραφίτη επιτρέπει την αναστρέψιμη παρεμβολή ιόντων λιθίου, με θεωρητική ειδική χωρητικότητα 372 mAh/g. Για την ενίσχυση των επιδόσεων, έχουν αναπτυχθεί νέα υλικά όπως ο σκληρός άνθρακας και ο μαλακός άνθρακας για γρήγορη φόρτιση και σενάρια χαμηλής θερμοκρασίας.

Μπαταρίες μολύβδου-οξέος

Η προσθήκη υλικών άνθρακα στο θετικό ηλεκτρόδιο των μπαταριών μολύβδου-οξέος ως αγώγιμων παραγόντων μπορεί να βελτιώσει την απόδοσή τους σε υψηλά ρεύματα εκφόρτισης. Με το πλεονέκτημα του κόστους, εξακολουθούν να κατέχουν σημαντική θέση σε τομείς όπως η εκκίνηση αυτοκινήτων και οι σταθμοί αποθήκευσης ενέργειας. Και η ενεργειακή τους πυκνότητα είναι περίπου 50-70 Wh/kg, οι οποίες είναι εύκολο να συντηρηθούν.

Υπερπυκνωτής

Η πορώδης δομή του ενεργού άνθρακα κάνει την ειδική επιφάνεια του να υπερβαίνει τα 2000 m²/g. Η πυκνότητα ισχύος του φτάνει τα 10 kW/kg (10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των μπαταριών λιθίου), αλλά η ενεργειακή πυκνότητα είναι χαμηλή (5-10 Wh/kg). Έτσι, είναι κατάλληλος για σενάρια με στιγμιαία υψηλά ρεύματα, όπως η ταχεία φόρτιση λεωφορείων και η εκκίνηση μηχανημάτων έργων.

Πεδίο ηλεκτρόλυσης

Ηλεκτρόλυση νερού

Κατά την αλκαλική ηλεκτρόλυση νερού για την παραγωγή υδρογόνου, ο ρυθμός διάβρωσης των ηλεκτροδίων από ανθρακόδερμα σε διάλυμα KOH 30% είναι μόνο 0,001 mm/έτος. Μετά τη φόρτωση του καταλύτη, η απόδοση της ηλεκτρόλυσης υπερβαίνει τα 80%. Με την ανάπτυξη της πράσινης βιομηχανίας υδρογόνου, η εφαρμογή των ηλεκτροδίων με βάση τον άνθρακα συνεχίζει να επεκτείνεται.

Παραγωγή αλουμινίου με ηλεκτρόλυση

Η ηλεκτρόλυση αλουμινίου πρέπει να πραγματοποιείται σε λιωμένο αλάτι στους 950-980℃ και ανόδους άνθρακα μπορεί να λειτουργήσει σταθερά. Η παραγωγή ενός τόνου αλουμινίου καταναλώνει 500-600 κιλά ανόδων άνθρακα. Η παγκόσμια ετήσια ζήτηση υπερβαίνει τους 30 εκατομμύρια τόνους.

Βιομηχανία χλωροαλκαλίων

Οι άνοδοι γραφίτη μπορούν να αντισταθούν στη διάβρωση από χλώριο και είναι οικονομικά αποδοτικές, με κόστος μόνο το 1/5 των ηλεκτροδίων τιτανίου. Έτσι, μπορείτε να τις χρησιμοποιήσετε ευρέως σε παραδοσιακές ηλεκτρολυτικές κυψέλες διαφράγματος. Η καταλυτική τους δραστηριότητα μπορεί επίσης να μειώσει την τάση του ηλεκτρολυτικού κελιού και να εξοικονομήσει ηλεκτρική ενέργεια.

Πεδίο ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης

Στο ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση διαδικασίες όπως η επιχρωμίωση, οι άνοδοι γραφίτη έχουν ισχυρή αντοχή στη διάβρωση σε ισχυρά όξινους ηλεκτρολύτες. Και μπορούν να διατηρήσουν ένα σταθερό δυναμικό για να εξασφαλίσουν ομοιόμορφη επικάλυψη. Με καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και μικρό βάρος, εύκαμπτες ηλεκτρόδια άνθρακα έχουν γίνει η προτιμώμενη επιλογή για φορητά σενάρια στην επιμετάλλωση με βούρτσα.

Συμπέρασμα

Τα βασικά πλεονεκτήματα της χρήσης του άνθρακα ως ηλεκτροδίου απορρέουν από την ευθυγράμμιση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του με τις βιομηχανικές απαιτήσεις. Είναι αγώγιμος και έχει ποικίλες δομές κατάλληλες για αποθήκευση ενέργειας, είναι χημικά σταθερός και ανθεκτικός στη διάβρωση. Και τα πλεονεκτήματα κόστους και επεξεργασίας του προωθούν την εφαρμογή μεγάλης κλίμακας.