Mengapa Karbon Digunakan Sebagai Elektroda?

Dalam teknologi dan industri modern, pemilihan bahan elektroda sangat penting. Dari industri elektrolisis hingga sistem penyimpanan energi, bahan karbon selalu menempati posisi inti dalam bahan elektroda. Tetapi mengapa karbon bisa menonjol di antara banyak bahan? Hal ini tidak terlepas dari sifat fisiknya yang unik, stabilitas kimiawi, keunggulan biaya, dan penerapannya yang luas.

Keuntungan Sifat Fisik Karbon sebagai Elektroda

Konduktivitas Listrik

Grafit adalah sejenis alotrop karbon, yang memiliki struktur berlapis yang khas. Atom karbon dalam setiap lapisan dihibridisasi dalam sp² untuk membentuk bidang heksagonal. Dan elektron di dalam lapisan dapat bergerak bebas, memberikan konduktivitas listrik yang sangat baik (hingga 10⁴ S/m). Karakteristik ini membuat karbon menjadi media yang efisien untuk transmisi elektron dalam elektroda. Ketika karbon digunakan sebagai elektroda baterai, karbon dapat dengan cepat menghantarkan elektron selama proses pengisian dan pengosongan, sehingga mengurangi kehilangan resistensi internal. Dalam sel elektrolit, konduktivitas tinggi dapat mengurangi konsumsi energi dan meningkatkan efisiensi reaksi. Meskipun konduktivitas listrik karbon sedikit lebih rendah daripada tembaga dan aluminium, karbon memiliki keunggulan yang lebih komprehensif dalam skenario seperti ketahanan terhadap korosi dan ringan.

Kepadatan rendah

Kepadatan karbon jauh lebih rendah daripada bahan elektroda logam, biasanya antara 1,5 dan 2,3 g/cm³. Fitur ini membuatnya sangat diperlukan dalam bidang yang sensitif terhadap berat, seperti baterai daya dan perangkat elektronik portabel. Menggunakan bahan karbon sebagai elektroda negatif dapat secara signifikan mengurangi berat baterai dan meningkatkan densitas energinya. Selain itu, di bidang kelas atas seperti kedirgantaraan, keuntungan ringan dari elektroda karbon dapat secara langsung mengurangi beban peralatan dan mengoptimalkan kinerja secara keseluruhan.

Keanekaragaman Struktural

Struktur mikro karbon dapat mengambil berbagai bentuk melalui pengaturan proses:

Struktur berlapis

Jarak antar-lapisan grafit sekitar 0,335 nm, yang hanya memungkinkan ion lithium untuk berinterkalasi. Hal ini membuatnya menjadi bahan yang ideal untuk elektroda negatif baterai lithium. Laju difusi ion litium bisa mencapai 10^-10 cm²/s, sehingga memastikan pengisian dan pemakaian yang cepat.

Struktur berpori

Setelah perlakuan aktivasi, luas permukaan spesifik karbon aktif mencapai lebih dari 2000 m² / g. Karena jaringan pori tiga dimensi, ia dapat menyimpan muatan dalam superkapasitor melalui efek lapisan ganda, dan kepadatan daya dapat mencapai 10 kW/kg.

Struktur nano

Bentuk satu dimensi/dua dimensi dari tabung nano karbon dan graphene memiliki konduktivitas listrik dan kekuatan mekanis yang tinggi. Oleh karena itu, keduanya cocok untuk digunakan sebagai elektroda pada perangkat elektronik yang fleksibel dan mudah beradaptasi dengan kondisi kerja yang rumit, seperti pembengkokan.

Keuntungan Sifat Kimiawi Karbon sebagai Elektroda

Stabilitas Kimia

Pada suhu dan tekanan normal, karbon hampir tidak bereaksi dengan larutan asam, basa, atau garam, sehingga dapat mempertahankan stabilitas struktural dalam lingkungan elektrokimia yang kompleks. Dalam sel elektrolit industri klor-alkali, elektroda karbon dapat menahan korosi elektrolit yang sangat basa. Bahkan jika suhu naik, stabilitas karbon tetap menonjol. Sebagai contoh, grafit, bahan yang sangat diperlukan dalam elektrolisis suhu tinggi, memiliki titik leleh yang dapat mencapai 3652 ℃ dalam atmosfer lembam.

Ketahanan Korosi

Keuntungan ketahanan korosi dari karbon sangat signifikan. Elektroda karbon hampir tidak terkorosi dalam elektrolit netral atau basa dan dapat mempertahankan efisiensi elektrolitik yang stabil. Selain itu, dalam skenario yang sangat korosif seperti pengolahan air limbah kimia, masa pakai elektroda karbon jauh lebih lama dibandingkan dengan bahan logam. Dan kemudian mengurangi biaya perawatan peralatan.

Kinerja Katalitik

Beberapa bahan karbon dapat menunjukkan aktivitas katalitik setelah dimodifikasi. Misalnya, setelah doping dengan unsur-unsur seperti nitrogen dan boron, Anda dapat menggunakan karbon berpori sebagai katalisator untuk reaksi reduksi oksigen (ORR). Dan Anda biasanya dapat menerapkannya dalam sel bahan bakar. Gugus fungsi pada permukaan karbon aktif dapat mendorong reaksi evolusi hidrogen (HER) dalam air yang dielektrolisis. Fungsi ganda "konduktivitas + katalisis" ini memungkinkan elektroda karbon menjadi efisien dan ekonomis di bidang konversi energi. Dan ini menghindari tekanan biaya untuk menambahkan katalis logam mulia tambahan, seperti platina.

Biaya dan Kemampuan Proses Elektroda Karbon

Keuntungan Biaya

Sumber karbon sangat berlimpah: batu bara, kokas minyak bumi, dll., semuanya dapat digunakan sebagai bahan baku elektroda karbon. Dan harganya jauh lebih rendah daripada logam atau bahan langka. Selain itu, melalui metode seperti kalsinasi suhu tinggi, karbonisasi, dan aktivasi, mereka dapat diproduksi secara massal. Karena proses persiapan bahan karbon sudah matang, biaya semakin berkurang. Efisiensi ekonomi ini memberikan keuntungan mutlak dalam aplikasi industri skala besar, seperti baterai timbal-asam dan industri klor-alkali.

Kemampuan proses

Bahan karbon dapat diproses secara fleksibel sesuai kebutuhan:

Cetakan bubuk

Serbuk karbon dicampur dengan pengikat dan digulung untuk menghasilkan positif dan elektroda negatif lembar baterai lithium, dengan ketebalan yang dapat dikontrol dalam jarak 50-150μm.

Menenun serat

Bahan tiga dimensi seperti kain karbon dan kain karbon memiliki porositas 70%-80%. Hal ini meningkatkan area reaksi dan cocok untuk elektroda elektrolit air.

Proses pelapisan

Bubur karbon dilapisi pada substrat logam (seperti titanium mesh) untuk menyiapkan elektroda komposit dengan konduktivitas listrik dan ketahanan terhadap korosi. Anda bisa menggunakannya di bidang pelapisan listrik.

Area Aplikasi Utama Elektroda Karbon

Bidang Energi dan Baterai

Pada baterai lithium, Anda dapat menggunakannya sebagai anoda grafit. Struktur berlapis grafit memungkinkan interkalasi reversibel ion litium, dengan kapasitas spesifik teoritis 372 mAh/g. Untuk meningkatkan performa, material baru seperti karbon keras dan karbon lunak telah dikembangkan untuk pengisian daya cepat dan skenario suhu rendah.

Baterai asam timbal

Menambahkan bahan karbon ke elektroda positif baterai asam timbal sebagai bahan konduktif dapat meningkatkan kinerja pelepasan arus tinggi. Dengan keunggulan biaya, baterai ini masih memegang posisi penting di bidang-bidang seperti penyalaan mobil dan pembangkit listrik penyimpanan energi. Dan kepadatan energinya sekitar 50-70 Wh/kg, yang mudah dirawat.

Superkapasitor

Struktur berpori dari karbon aktif membuat luas permukaan spesifiknya melebihi 2000 m²/g. Kepadatan dayanya mencapai 10 kW/kg (10 kali lipat dari baterai lithium), tetapi kepadatan energinya rendah (5-10 Wh/kg). Sehingga cocok untuk skenario dengan arus tinggi seketika seperti pengisian cepat bus dan penyalaan mesin konstruksi.

Bidang Elektrolisis

Elektrolisis Air

Dalam elektrolisis basa air untuk produksi hidrogen, laju korosi elektroda karbon felt dalam larutan KOH 30% hanya 0,001 mm/tahun. Setelah memuat katalis, efisiensi elektrolisis melebihi 80%. Dengan berkembangnya industri hidrogen hijau, penerapan elektroda berbasis karbon terus berkembang.

Produksi Elektrolisis Aluminium

Elektrolisis aluminium perlu dilakukan dalam garam cair pada suhu 950-980 ℃, dan anoda karbon dapat bekerja dengan stabil. Memproduksi satu ton aluminium membutuhkan 500-600 kilogram anoda karbon. Permintaan tahunan global melebihi 30 juta ton.

Industri Klor-Alkali

Anoda grafit dapat menahan korosi klorin dan hemat biaya, dengan biaya hanya 1/5 dari biaya elektroda titanium. Jadi, Anda dapat menggunakannya secara luas dalam sel elektrolit diafragma tradisional. Aktivitas katalitiknya juga dapat mengurangi tegangan sel elektrolitik dan menghemat listrik.

Bidang Elektroplating

Dalam pelapisan listrik proses seperti pelapisan kromium, anoda grafit memiliki ketahanan korosi yang kuat dalam elektrolit yang sangat asam. Dan mereka dapat mempertahankan potensi yang stabil untuk memastikan pelapisan yang seragam. Dengan konduktivitas listrik yang baik dan ringan, fleksibel elektroda karbon telah menjadi pilihan yang lebih disukai untuk skenario portabel dalam pelapisan kuas.

Kesimpulan

Keuntungan utama penggunaan karbon sebagai elektroda berasal dari keselarasan sifat fisik dan kimianya dengan tuntutan industri. Karbon bersifat konduktif dan memiliki beragam struktur yang cocok untuk penyimpanan energi, stabil secara kimiawi dan tahan korosi. Dan keuntungan biaya dan prosesnya mendorong aplikasi skala besar.