Άνοδος γραφίτη

Υλικό ανόδου γραφίτη

Γιατί να επιλέξετε γραφίτη για ανόδους;

Ο γραφίτης είναι γνωστός ως ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά ανόδου στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, λόγω της υψηλής ηλεκτρονικής αγωγιμότητας τόσο του όγκου όσο και των επιφανειακών μοσχευμάτων του, καθώς και της ηλεκτροχημικής σταθερότητάς του κατά τη διάρκεια των διεργασιών παρεμβολής/αποσυσσωμάτωσης που συνεπάγονται την (απο)εισαγωγή ιόντων λιθίου κατά τη διάρκεια του κύκλου. Αυτό είναι σημαντικό για μπαταρίες μεγάλης διάρκειας, δεδομένου ότι σημαίνει ότι τα ιόντα λιθίου μπορούν να γεμίζουν μια δομή γραφίτη χωρίς να την καταστρέφουν. Επιπλέον, γραφίτης είναι πολύ λιγότερο βαρύ και χημικά αδρανές σε σύγκριση με, ας πούμε, τον χάλυβα ή μια άλλη ουσία. Στην πραγματικότητα, η άνοδος γραφίτη προτιμάται από άλλα αδρανή ηλεκτρόδια.

Η σημασία της αγωγιμότητας

Ο λόγος που επιλέγεται ο γραφίτης για την άνοδο είναι ότι είναι καλός αγωγός.Κατά τη διαδικασία φόρτισης ή εκφόρτισης, τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν ελεύθερα στο γραφίτη. Αυτό θα διατηρήσει το φορτίο της μπαταρίας ώστε να παρέχει ενέργεια για κάθε ένα από τα πλαίσια που βασίζονται σε αυτήν. Αυτό είναι βασικό, διότι χωρίς την εκπληκτική αγωγιμότητα του γραφίτη μια μπαταρία δεν θα μπορούσε πραγματικά να λειτουργήσει.

Γραφίτης στις μπαταρίες ιόντων λιθίου

Οι άνοδοι γραφίτη είναι απαραίτητες για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Κατά τη φόρτιση, τα ιόντα λιθίου παρεμβάλλονται μεταξύ των στρωμάτων γραφίτη. Κατά την εκφόρτιση ταξιδεύουν πίσω στην κάθοδο, όπου η κίνηση αυτή παράγει ρεύμα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία των συσκευών σας. Η ικανότητα του γραφίτη να αποθηκεύει αντιστρεπτά τεράστιες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας τον καθιστά απαραίτητη δεξαμενή για την αποθήκευση και την απελευθέρωση ηλεκτρικής ενέργειας στις μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Μπαταρία ιόντων λιθίου έναντι μπαταρίας γραφίτη

Η σημαντικότερη διαφορά που διαχωρίζει τις μπαταρίες γραφίτη από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου έγκειται στο υλικό της ανόδου. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου, ορισμένες νέες τεχνολογίες χρησιμοποιούν πυρίτιο (αντί για γραφίτη) ως υλικό ανόδου. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ο γραφίτης κερδίζει όσον αφορά τη διάρκεια ζωής, ενώ το πυρίτιο κερδίζει όσον αφορά τη δυνητική ενεργειακή πυκνότητα. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι οι άνοδοι πυριτίου εκπέμπουν μια δυσάρεστη διόγκωση κατά τη φόρτιση, οδηγώντας σε θανατηφόρες δομικές βλάβες στις συστοιχίες μπαταριών. Παρ' όλα αυτά, ο γραφίτης είναι το πιο συνηθισμένο υλικό, που ισορροπεί μεταξύ απόδοσης και αξιοπιστίας.

Διαδικασία ηλεκτρόλυσης ανόδου γραφίτη

Κατά τη διάρκεια των διαδικασιών φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου, λαμβάνει χώρα μια ηλεκτροχημική αντίδραση στην άνοδο γραφίτη. Σε κυτταρικό επίπεδο στην άνοδο η μπαταρία λειτουργεί με ηλεκτρόλυση, όπου τα φορτισμένα ιόντα λιθίου περνούν στο εσωτερικό και δεσμεύονται στον γραφίτη. Με την απελευθέρωση των ιόντων κατά την εκφόρτιση, τα ιόντα αυτά εισρέουν άλλη μια φορά στην κάθοδο, απελευθερώνοντας ενέργεια. Είναι επίσης αναστρέψιμη, επιτρέποντάς σας να επαναφορτίσετε τη μπαταρία αμέτρητες φορές πριν κάνει σοβαρή ζημιά στην άνοδο γραφίτη.

Σύγκριση ανόδου γραφίτη και ανόδου πυριτίου

Η υψηλότερη θεωρητική χωρητικότητα των ανόδων πυριτίου (σε σύγκριση με τις τυπικές ανόδους γραφίτη) έχει προκαλέσει κάποιο ενδιαφέρον για το υλικό αυτό. Η χρήση πυριτίου αντί για γραφίτη είναι πλεονεκτική, καθώς έχει υψηλότερη χωρητικότητα αποθήκευσης ιόντων λιθίου και, συνεπώς, μπορεί να αυξήσει την ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας. Όμως το πυρίτιο έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα: διογκώνεται και συρρικνώνεται δραματικά καθώς η μπαταρία φορτίζεται και εκφορτίζεται. Όταν συμβαίνει αυτό, η άνοδος διογκώνεται, γεγονός που συνήθως προκαλεί ρωγμές και τελικά αστοχία. Αντίθετα, ο γραφίτης μπορεί να διατηρήσει τη δομή του κατά τη διάρκεια ζωής πολλών κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης, γεγονός που τον οδηγεί σε πιο ανθεκτικό και αξιόπιστο για μια μακροπρόθεσμη εφαρμογή. Ενώ οι άνοδοι με βάση το πυρίτιο θα μπορούσαν να είναι το μέλλον για μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας, οι περισσότερες εφαρμογές εξακολουθούν να βασίζονται στον παλιό καλό γραφίτη.

Κάθοδος γραφίτη έναντι ανόδου

Σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου οι ρόλοι της ανόδου και της καθόδου εναλλάσσονται. Κατά τη φόρτιση, τα ιόντα λιθίου ζουν στην άνοδο, ενώ κατά την εκφόρτιση αποδίδονται στην κάθοδο. Στην πράξη, η άνοδος είναι ο γραφίτης λόγω των χημικών ιδιοτήτων του όσον αφορά την παρεμβολή λιθίου. Αντίθετα, άλλα υλικά χρησιμοποιούνται στην κάθοδος - οξείδιο του λιθίου-κοβαλτίου ή φωσφορικός σίδηρος, για παράδειγμα - που είναι καλύτερα στο να αφήνουν αυτά τα ιόντα να εισέρχονται και να τα δεσμεύουν. Αυτός είναι λοιπόν ο λόγος για τον οποίο, προκειμένου να κατανοήσουμε τη λειτουργία της μπαταρίας, είναι να σκεφτούμε την άνοδο και την κάθοδο με βάση την ταυτότητά τους.

Η διαδικασία κατασκευής ανόδων γραφίτη

Ο πρώτος είναι ότι η πρώτη ύλη γραφίτης πρέπει να καθαριστεί και οι ακαθαρσίες, όπως οι πυρίτιο, σίδηρο ή οξυγόνο. Το επόμενο βήμα είναι ότι ο γραφίτης αναμιγνύεται με συνδετικά υλικά για να γίνει μια πάστα. Αυτή η πάστα στη συνέχεια επικαλύπτεται με ρολό πάνω σε ένα φύλλο χαλκού, το οποίο χρησιμεύει ως συλλέκτης ρεύματος. Το υλικό αυτό στη συνέχεια ξηραίνεται και συμπιέζεται με τρόπο που να διασφαλίζει ότι έχει ομοιόμορφο πάχος σε όλο το μήκος του, αφού επικαλύφθηκε το στρώμα πλήρωσης. Οι άνοδοι θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες προκειμένου να αποκτήσουν τις ηλεκτροχημικές τους ιδιότητες. Αυτές κόβονται στα σχήματα και τα μεγέθη που απαιτούνται, οριστικοποιούνται για να συμπεριληφθούν στις μπαταρίες.

Γιατί η άνοδος είναι κατασκευασμένη από γραφίτη και όχι από χάλυβα;

Το χαλύβδινο υλικό έχει χαμηλή αγωγιμότητα για τον ηλεκτρισμό και έτσι το λίθιο δεν μπορεί να παρεμβληθεί στον χάλυβα. Αυτό θα μείωνε σημαντικά την απόδοση της μπαταρίας. Από την άλλη πλευρά, ο γραφίτης είναι πολύ καλός αγωγός και μπορεί να ανεχθεί την κίνηση ιόντων λιθίου χωρίς μεγάλη διάσπαση. Ο γραφίτης είναι επίσης ένας εξαιρετικός υποψήφιος για άνοδο μπαταρίας, όταν λαμβάνονται υπόψη τόσο το βάρος όσο και η χημική σταθερότητα/αντίσταση στη διάβρωση, περισσότερο από υλικά όπως ο χάλυβας.

Εφαρμογές των ανόδων γραφίτη

Οι άνοδοι γραφίτη έχουν πολλαπλούς σκοπούς εκτός από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Χρησιμοποιούνται σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, όπως για παράδειγμα στην ηλεκτρόλυση του νερού, όπου βοηθούν τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο με τη χρήση γραφίτη. Οι άνοδοι γραφίτη χρησιμοποιούνται επίσης σε άλλους τύπους μπαταριών (όπως η μπαταρία ιόντων νατρίου) και στην αποθήκευση ενέργειας. Η άνοδος από συνθετικό γραφίτη είναι ένα βασικό υλικό που χρησιμοποιείται σε αυτή τη μετάβαση προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, διότι μας επιτρέπει να αποθηκεύσουμε τη διαλείπουσα φύση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή και η αιολική.