¿El grafito es ánodo o cátodo?

En el campo de la electroquímica, los materiales de los electrodos son la clave del funcionamiento de pilas, celdas electrolíticas y otros dispositivos. El grafito tiene una estructura y unas propiedades químicas especiales, por lo que puede utilizarse como ánodo o cátodo. Es de gran importancia explorar su conversión de papel y su principio de aplicación.

¿El grafito es ánodo o cátodo?

La respuesta no es absoluta, sino que depende del sistema electroquímico concreto en el que se encuentre. En distintos entornos de pilas y baterías, el grafito puede asumir con flexibilidad las funciones de ánodo o cátodo en función de las necesidades de reacción. Esta propiedad única hace que el grafito sea muy utilizado en el campo de la electroquímica, convirtiéndose en una parte indispensable de muchos dispositivos electroquímicos.

Grafito como ánodo

Aplicaciones comunes

Baterías de iones de litio

En la actualidad, las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en diversos dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos, y el grafeno es el material anódico preferido. En las baterías de iones de litio, proporciona una plataforma estable para el almacenamiento y la transmisión de iones de litio. Por ejemplo, en nuestro uso diario de teléfonos móviles, baterías de portátiles, los ánodos de grafito garantizan que la batería pueda cargarse y descargarse eficazmente. Y proporciona un soporte de energía estable para el funcionamiento a largo plazo del dispositivo.

Electrólisis del aluminio

En el proceso de fundición del aluminio, la electrólisis del aluminio es un eslabón clave, y ánodos de grafito desempeñan aquí un papel fundamental. Cuando el aluminio se prepara mediante un sistema electrolítico de sales fundidas de alúmina y criolita, es un canal de conducción de electrones. Y también es un participante importante en la reacción química. Cada año se produce una gran cantidad de aluminio metal de esta manera. Y el suministro estable y el rendimiento de los ánodos de grafito afectan directamente al desarrollo de la industria del aluminio.

Principio de funcionamiento y mecanismo de reacción

Durante la carga, los iones de litio se desprenden del electrodo positivo. A continuación, se incrustan en la estructura estratificada del grafito a través del electrolito, y se produce la reacción de incrustación. El proceso de descarga es el contrario, los iones de litio del grafito, vuelven al electrodo positivo. Así se consigue la liberación de energía eléctrica. Este proceso de entrada y salida se repite para completar el ciclo de carga y descarga de la batería.

En la célula electrolítica de aluminio, la principal reacción que se produce en el ánodo de grafito es la reacción de oxidación de los iones de carbono y oxígeno. A medida que la electrólisis continúa, se consume gradualmente. Esta es la razón por la que el ánodo debe sustituirse regularmente durante el proceso de electrólisis del aluminio.

Ventajas

Alta capacidad específica teórica

El grafito tiene una alta capacidad específica teórica, en las baterías de iones de litio, su capacidad específica teórica puede alcanzar los 372mAh/g. Esto significa que su unidad de masa puede almacenar más iones de litio. De modo que la batería tiene una mayor densidad de energía, para satisfacer las necesidades de los equipos modernos de larga duración.

Buena conductividad eléctrica

Su buena conductividad eléctrica le permite conducir electrones rápidamente y reducir la resistencia interna de las baterías o celdas electrolíticas. En las baterías de iones de litio, esto ayuda a mejorar la eficacia de carga y descarga y a reducir la pérdida de energía. En la electrólisis del aluminio, puede garantizar la eficacia del proceso electrolítico.

El coste es relativamente bajo

En comparación con algunos materiales anódicos raros o caros, tiene un coste relativamente bajo y abundantes recursos. Esto supone una importante ventaja económica en las aplicaciones a gran escala. Ya sea en baterías de iones de litio en el campo de la electrónica de consumo o en la electrólisis del aluminio en la producción industrial a gran escala. Puede controlar eficazmente los costes.

Grafito como cátodo

Aplicaciones típicas

Pilas de combustible parciales

En algunas pilas de combustible, como las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC), se puede utilizar ampliamente en el cátodo. Se puede utilizar principalmente para preparar la placa de campo de flujo del cátodo, que se encarga de distribuir uniformemente el gas de reacción. Garantiza que el oxígeno pueda llegar sin problemas al lugar de reacción, y conduce electrones para promover la reacción electroquímica.

Algunas células electrolíticas especiales

En algunas células electrolíticas especiales, el cátodo de grafito puede proporcionar un entorno de reacción específico. Como los utilizados para la síntesis orgánica, puede promover la reacción de reducción de compuestos orgánicos. Por ejemplo, en la electrosíntesis de algunos fármacos intermedios, los cátodos de grafito desempeñan un papel fundamental.

Principio de funcionamiento de la reacción electroquímica

Tomando como ejemplo las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico, la reacción de reducción del oxígeno se produce en el cátodo de grafito. Los electrones que fluyen desde el circuito externo se transfieren al oxígeno a través del cátodo de grafito. Mientras que los protones migran del ánodo al cátodo a través de la membrana de intercambio de protones, y reaccionan con el oxígeno y los electrones para formar agua. Así se consigue la conversión de energía química en energía eléctrica.

En la célula electrolítica de síntesis orgánica, las moléculas de compuestos orgánicos en el cátodo de grafito obtienen electrones. Y se produce una reacción de reducción para generar el producto objetivo. El mecanismo de reacción específico varía según los distintos compuestos orgánicos y las condiciones de reacción. Pero el cátodo de grafito siempre proporciona electrones para la reacción y mantiene la estabilidad del entorno de reacción.

Ventajas

Buena estabilidad química

El grafito tiene una buena estabilidad química en la mayoría de los entornos electrolíticos. Puede resistir la corrosión del electrolito, garantizar el rendimiento estable del cátodo en el largo proceso de trabajo. Y prolonga la vida útil de la batería o piscina electrolítica.

Excelente conductividad eléctrica

Como cátodo, la buena conductividad eléctrica sigue siendo una de sus ventajas importantes. Puede garantizar la rápida transmisión de electrones, hacer que la reacción electroquímica se desarrolle sin problemas, mejorar la velocidad de reacción y la eficiencia.

Buena procesabilidad

Es fácil de procesar y moldear. Y pueden prepararse piezas catódicas de diversas formas y tamaños según los distintos requisitos de diseño de baterías o celdas electrolíticas. Por ejemplo, en pilas de combustible, puede transformarla en una placa de campo de flujo con una compleja estructura de canal de flujo. Para satisfacer las necesidades de difusión de gases y conducción de electrones.

Factores que afectan a las propiedades de los electrodos de grafito

Influencia de la pureza y las impurezas del material de grafito

La pureza del material de grafito influye significativamente en el rendimiento del electrodo. Un grafito de alta pureza puede reducir las reacciones secundarias causadas por las impurezas. Por ejemplo, en las baterías de iones de litio, si el ánodo de grafito contiene impurezas metálicas, puede provocar la autodescarga de la batería. Y acelerar el deterioro de la capacidad. Las impurezas también pueden cambiar su estructura cristalina, dificultar la inserción y extracción de iones de litioy reducir el rendimiento de la batería.

Cambios de la estructura y propiedades del grafito por el proceso de preparación

Los distintos procesos de preparación darán lugar a diferentes estructuras cristalinas y propiedades físicas del grafito. La calcinación a alta temperatura puede mejorar la cristalinidad del grafito y aumentar su conductividad eléctrica. Los procesos de moldeo especiales, como el prensado isostático, pueden uniformizar la densidad del grafito y mejorar su resistencia mecánica y sus propiedades electroquímicas. Optimizando el proceso de preparación, las propiedades del grafito pueden regularse para satisfacer las necesidades de diferentes escenarios de aplicación.

Composición del electrolito y condiciones de trabajo

La composición del electrolito modificará las propiedades de la interfaz entre el electrodo de grafito y el electrolito. Unos aditivos electrolíticos adecuados pueden mejorar la estructura de la membrana interfacial y aumentar el rendimiento de carga y descarga y la vida útil del electrodo. Las condiciones de trabajo, como la temperatura y la densidad de corriente, también tienen efectos importantes en el rendimiento de los electrodos de grafito. Una temperatura demasiado alta acelerará la corrosión y el envejecimiento del electrodo de grafito. Y una densidad de corriente demasiado elevada provocará un aumento de la polarización del electrodo y reducirá el rendimiento de la batería o célula electrolítica.

Conclusión

El grafito desempeña funciones tanto anódicas como catódicas en el campo de la electroquímica. Y se puede utilizar ampliamente en baterías, electrólisis y otros escenarios. Su rendimiento se ve afectado por muchos factores. Con el progreso continuo de la ciencia y la tecnología, se cree que el grafito seguirá desempeñando un papel importante en el campo de la electroquímica.