¿Por qué se utiliza el carbono como electrodo?

En la tecnología y la industria modernas, la selección de materiales para electrodos es de vital importancia. Desde la industria de la electrólisis hasta los sistemas de almacenamiento de energía, los materiales de carbono siempre han ocupado una posición central en los materiales de electrodos. Pero, ¿por qué puede destacar el carbono entre numerosos materiales? Esto es inseparable de sus propiedades físicas únicas, estabilidad química, ventaja de costes y amplia aplicabilidad.

Propiedades físicas Ventajas del carbono como electrodo

Conductividad eléctrica

El grafito es un tipo de alótropo del carbono, que tiene una estructura típica en capas. Los átomos de carbono de cada capa están hibridizados en sp² para formar un plano hexagonal. Y los electrones dentro de las capas pueden moverse libremente, lo que le confiere una excelente conductividad eléctrica (hasta 10⁴ S/m). Esta característica hace del carbono un medio eficaz para la transmisión de electrones en el electrodo. Cuando el carbono se utiliza como electrodo de una batería, puede conducir electrones rápidamente durante el proceso de carga y descarga, reduciendo la pérdida de resistencia interna. En una célula electrolítica, una alta conductividad puede reducir el consumo de energía y mejorar la eficacia de la reacción. Aunque la conductividad eléctrica del carbono es ligeramente inferior a la del cobre y el aluminio, presenta ventajas más amplias en escenarios como la resistencia a la corrosión y la ligereza.

Baja densidad

La densidad del carbono es mucho menor que la de los materiales metálicos de los electrodos, normalmente entre 1,5 y 2,3 g/cm³. Esta característica la hace indispensable en campos sensibles al peso, como las baterías eléctricas y los dispositivos electrónicos portátiles. El uso de materiales de carbono como electrodo negativo puede reducir significativamente el peso de la batería y aumentar su densidad energética. Además, en campos de alta gama como el aeroespacial, la ventaja de la ligereza de los electrodos de carbono puede reducir directamente la carga de los equipos y optimizar el rendimiento general.

Diversidad estructural

La microestructura del carbono puede adoptar diversas formas mediante la regulación del proceso:

Estructura en capas

La distancia interlamelar del grafito es de unos 0,335 nm, lo que permite la intercalación de iones de litio. Esto lo convierte en un material ideal para el electrodo negativo de las baterías de litio. La velocidad de difusión de los iones de litio puede alcanzar el 10^-10 cm²/s, garantizando así una carga y descarga rápidas.

Estructura porosa

Tras el tratamiento de activación, la superficie específica del carbón activado alcanza más de 2000 m²/g. Debido a la red tridimensional de poros, puede almacenar cargas en supercondensadores mediante el efecto de doble capa, y la densidad de potencia puede alcanzar los 10 kW/kg.

Nanoestructura

Las formas unidimensionales/bidimensionales de los nanotubos de carbono y el grafeno poseen una gran conductividad eléctrica y resistencia mecánica. Por eso son adecuados para su uso como electrodos en dispositivos electrónicos flexibles y se adaptan a condiciones de trabajo complejas como la flexión.

Propiedades químicas Ventajas del carbono como electrodo

Estabilidad química

A temperatura y presión normales, el carbono apenas reacciona con soluciones ácidas, básicas o salinas, por lo que puede mantener la estabilidad estructural en entornos electroquímicos complejos. En las celdas electrolíticas de la industria cloroalcalina, los electrodos de carbono pueden resistir la corrosión de electrolitos fuertemente alcalinos. Aunque aumente la temperatura, la estabilidad del carbono sigue siendo destacada. Por ejemplo, el grafito, material indispensable en la electrólisis de alta temperatura, tiene un punto de fusión que puede alcanzar los 3652℃ en atmósfera inerte.

Resistencia a la corrosión

La ventaja de la resistencia a la corrosión del carbono es especialmente significativa. Los electrodos de carbono apenas se corroen en electrolitos neutros o alcalinos y pueden mantener una eficacia electrolítica estable. Además, en escenarios altamente corrosivos como el tratamiento químico de aguas residuales, la vida útil de los electrodos de carbono es mucho mayor que la de los materiales metálicos. Así se reducen los costes de mantenimiento de los equipos.

Rendimiento catalítico

Algunos materiales de carbono pueden mostrar actividad catalítica tras ser modificados. Por ejemplo, tras doparlos con elementos como nitrógeno y boro, se puede utilizar carbono poroso como catalizador para la reacción de reducción de oxígeno (ORR). Y normalmente se pueden aplicar en pilas de combustible. Los grupos funcionales de la superficie del carbono activado pueden promover la reacción de evolución del hidrógeno (HER) en el agua electrolizada. Esta doble función de "conductividad + catálisis" permite que los electrodos de carbono sean eficientes y económicos en el campo de la conversión energética. Y evita la presión de costes que supone añadir catalizadores adicionales de metales preciosos, como el platino.

Coste y procesabilidad de los electrodos de carbono

Ventaja de costes

Las fuentes de carbono son muy abundantes: el carbón, el coque de petróleo, etc. pueden utilizarse como materias primas para los electrodos de carbono. Y sus precios son mucho más bajos que los de los metales o los materiales raros. Además, mediante métodos como la calcinación a alta temperatura, la carbonización y la activación, pueden producirse en masa. Como el proceso de preparación de los materiales de carbono es maduro, los costes se reducen aún más. Esta eficiencia económica le confiere una ventaja absoluta en aplicaciones industriales a gran escala, como las baterías de plomo-ácido y la industria cloroalcalina.

Procesabilidad

Los materiales de carbono pueden procesarse de forma flexible según las necesidades:

Moldeo en polvo

El polvo de carbón se mezcla con el aglutinante y se enrolla para producir el positivo y el electrodo negativo láminas de baterías de litio, con el espesor controlable dentro de 50-150μm.

Tejido de fibras

Los materiales tridimensionales, como el fieltro de carbono y la tela de carbono, tienen una porosidad de 70%-80%. Esto aumenta el área de reacción y es adecuado para electrodos electrolíticos de agua.

Proceso de revestimiento

Los lodos de carbono se recubren sobre sustratos metálicos (como mallas de titanio) para preparar electrodos compuestos con conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión. Se pueden utilizar en el campo de la galvanoplastia.

Principales campos de aplicación de los electrodos de carbono

Campos de energía y baterías

En las baterías de litio, se puede utilizar como ánodo de grafito. La estructura en capas del grafito permite la intercalación reversible de iones de litio, con una capacidad específica teórica de 372 mAh/g. Para mejorar el rendimiento, se han desarrollado nuevos materiales, como el carbono duro y el carbono blando, para la carga rápida y los escenarios de baja temperatura.

Baterías de plomo-ácido

La adición de materiales de carbono al electrodo positivo de las baterías de plomo-ácido como agentes conductores puede mejorar su rendimiento de descarga de alta corriente. Con la ventaja del coste, siguen ocupando una posición importante en campos como el arranque de automóviles y las centrales eléctricas de almacenamiento de energía. Además, su densidad energética es de aproximadamente 50-70 Wh/kg, por lo que son fáciles de mantener.

Supercondensador

La estructura porosa del carbón activado hace que su superficie específica supere los 2000 m²/g. Su densidad de potencia alcanza los 10 kW/kg (10 veces la de las baterías de litio), pero su densidad energética es baja (5-10 Wh/kg). Por eso es adecuada para escenarios con alta corriente instantánea, como la carga rápida de autobuses y el arranque de maquinaria de construcción.

Campo de la electrólisis

Electrólisis del agua

En la electrólisis alcalina del agua para la producción de hidrógeno, la velocidad de corrosión de los electrodos de fieltro de carbono en una solución de KOH 30% es de sólo 0,001 mm/año. Después de cargar el catalizador, la eficacia de la electrólisis supera los 80%. Con el desarrollo de la industria ecológica del hidrógeno, la aplicación de los electrodos de carbono sigue ampliándose.

Producción de aluminio por electrólisis

La electrólisis del aluminio debe realizarse en sal fundida a 950-980℃, y ánodos de carbono puede funcionar de forma estable. Producir una tonelada de aluminio consume entre 500 y 600 kilogramos de ánodos de carbono. La demanda mundial anual supera los 30 millones de toneladas.

Industria cloroalcalina

Los ánodos de grafito pueden resistir la corrosión por cloro y son rentables, ya que sólo cuestan 1/5 de los electrodos de titanio. Por tanto, se pueden utilizar ampliamente en las celdas electrolíticas de diafragma tradicionales. Su actividad catalítica también puede reducir la tensión de la célula electrolítica y ahorrar electricidad.

Campo de la galvanoplastia

En galvanoplastia En procesos como el cromado, los ánodos de grafito tienen una gran resistencia a la corrosión en electrolitos muy ácidos. Además, pueden mantener un potencial estable para garantizar un recubrimiento uniforme. Con buena conductividad eléctrica y peso ligero, flexibles electrodos de carbono se han convertido en la opción preferida para escenarios portátiles en el revestimiento con cepillos.

Conclusión

Las principales ventajas de utilizar carbono como electrodo se derivan de la adecuación de sus propiedades físicas y químicas a las demandas industriales. Es conductor y tiene diversas estructuras adecuadas para el almacenamiento de energía, es químicamente estable y resistente a la corrosión. Además, sus ventajas de coste y procesamiento favorecen su aplicación a gran escala.