Perché si usa il carbonio come elettrodo?

Nella tecnologia e nell'industria moderna, la scelta dei materiali per elettrodi è di vitale importanza. Dall'industria dell'elettrolisi ai sistemi di accumulo dell'energia, i materiali di carbonio hanno sempre occupato una posizione centrale nei materiali per elettrodi. Ma perché il carbonio si distingue tra i numerosi materiali? Le sue proprietà fisiche uniche, la stabilità chimica, il vantaggio in termini di costi e l'ampia applicabilità sono fattori imprescindibili.

Proprietà fisiche Vantaggi del carbonio come elettrodo

Conducibilità elettrica

La grafite è un tipo di allotropo del carbonio, che presenta una tipica struttura a strati. Gli atomi di carbonio di ogni strato sono ibridati in sp²a formare un piano esagonale. Gli elettroni all'interno degli strati possono muoversi liberamente, conferendo alla grafite un'eccellente conducibilità elettrica (fino al 10⁴ S/m). Questa caratteristica rende il carbonio un mezzo efficiente per la trasmissione degli elettroni nell'elettrodo. Quando il carbonio viene utilizzato come elettrodo di una batteria, può condurre rapidamente gli elettroni durante il processo di carica e scarica, riducendo la perdita di resistenza interna. In una cella elettrolitica, un'elevata conduttività può ridurre il consumo di energia e migliorare l'efficienza della reazione. Sebbene la conducibilità elettrica del carbonio sia leggermente inferiore a quella del rame e dell'alluminio, presenta vantaggi più ampi in scenari quali la resistenza alla corrosione e la leggerezza.

Bassa densità

La densità del carbonio è molto più bassa di quella dei materiali elettrodici metallici, solitamente compresa tra 1,5 e 2,3 g/cm.³. Questa caratteristica lo rende indispensabile in settori sensibili al peso, come le batterie di potenza e i dispositivi elettronici portatili. L'utilizzo di materiali al carbonio come elettrodi negativi può ridurre significativamente il peso della batteria e aumentarne la densità energetica. Inoltre, in settori di alto livello come quello aerospaziale, il vantaggio della leggerezza degli elettrodi di carbonio può ridurre direttamente il carico delle apparecchiature e ottimizzare le prestazioni complessive.

Diversità strutturale

La microstruttura del carbonio può assumere varie forme attraverso la regolazione del processo:

Struttura a strati

La distanza interlamellare della grafite è di circa 0,335 nm, che permette agli ioni di litio di intercalarsi. Ciò la rende un materiale ideale per l'elettrodo negativo delle batterie al litio. La velocità di diffusione degli ioni di litio può raggiungere il 10^-10 cm²/s, garantendo così una carica e una scarica rapide.

Struttura porosa

Dopo il trattamento di attivazione, l'area superficiale specifica del carbone attivo raggiunge più di 2000 m²/g. Grazie alla rete di pori tridimensionale, può immagazzinare cariche nei supercondensatori attraverso l'effetto doppio strato e la densità di potenza può raggiungere i 10 kW/kg.

Nanostruttura

Le forme unidimensionali o bidimensionali dei nanotubi di carbonio e del grafene possiedono un'elevata conducibilità elettrica e resistenza meccanica. Sono quindi adatti all'uso come elettrodi in dispositivi elettronici flessibili e si adattano a condizioni di lavoro complesse come la piegatura.

Proprietà chimiche Vantaggi del carbonio come elettrodo

Stabilità chimica

A temperatura e pressione normali, il carbonio reagisce difficilmente con soluzioni acide, basiche o saline, quindi può mantenere la stabilità strutturale in ambienti elettrochimici complessi. Nelle celle elettrolitiche dell'industria dei cloro-alcali, gli elettrodi di carbonio possono resistere alla corrosione di elettroliti fortemente alcalini. Anche se la temperatura aumenta, la stabilità del carbonio rimane evidente. Ad esempio, la grafite, un materiale indispensabile per l'elettrolisi ad alta temperatura, ha un punto di fusione che può raggiungere i 3652℃ in atmosfera inerte.

Resistenza alla corrosione

Il vantaggio della resistenza alla corrosione del carbonio è particolarmente significativo. Gli elettrodi di carbonio si corrodono difficilmente in elettroliti neutri o alcalini e possono mantenere un'efficienza elettrolitica stabile. Inoltre, in scenari altamente corrosivi come il trattamento delle acque reflue chimiche, la durata degli elettrodi di carbonio è molto più lunga di quella dei materiali metallici. Riducendo così i costi di manutenzione delle apparecchiature.

Prestazioni catalitiche

Alcuni materiali di carbonio possono presentare un'attività catalitica dopo essere stati modificati. Ad esempio, dopo il drogaggio con elementi come l'azoto e il boro, è possibile utilizzare il carbonio poroso come catalizzatore per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR). E di solito si possono applicare alle celle a combustibile. I gruppi funzionali sulla superficie del carbone attivo possono promuovere la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) nell'acqua elettrolizzata. Questa doppia funzione di "conducibilità + catalisi" consente agli elettrodi di carbonio di essere efficienti ed economici nel campo della conversione energetica. Inoltre, evita la pressione dei costi derivanti dall'aggiunta di ulteriori catalizzatori di metalli preziosi, come il platino.

Costo e lavorabilità degli elettrodi di carbonio

Vantaggio di costo

Le fonti di carbonio sono estremamente abbondanti: carbone, coke di petrolio, ecc. possono essere utilizzati come materie prime per gli elettrodi di carbonio. E i loro prezzi sono molto più bassi di quelli dei metalli o dei materiali rari. Inoltre, grazie a metodi come la calcinazione ad alta temperatura, la carbonizzazione e l'attivazione, possono essere prodotti in massa. Poiché il processo di preparazione dei materiali di carbonio è maturo, i costi sono ulteriormente ridotti. Questa efficienza economica gli conferisce un vantaggio assoluto nelle applicazioni industriali su larga scala, come le batterie al piombo e l'industria dei cloro-alcali.

Processabilità

I materiali in carbonio possono essere lavorati in modo flessibile a seconda delle esigenze:

Stampaggio a polvere

La polvere di carbonio viene mescolata con il legante e arrotolata per produrre il positivo e il elettrodo negativo fogli di batterie al litio, con spessore controllabile entro 50-150μm.

Tessitura di fibre

I materiali tridimensionali come il feltro di carbonio e il tessuto di carbonio hanno una porosità di 70%-80%. Questo aumenta l'area di reazione ed è adatto agli elettrodi elettrolitici dell'acqua.

Processo di rivestimento

Lo slurry di carbonio viene rivestito su substrati metallici (come la maglia di titanio) per preparare elettrodi compositi con conducibilità elettrica e resistenza alla corrosione. Possono essere utilizzati nel campo della galvanotecnica.

Principali campi di applicazione degli elettrodi al carbonio

Campi di energia e batterie

Nelle batterie al litio, è possibile utilizzarla come anodo di grafite. La struttura a strati della grafite consente l'intercalazione reversibile degli ioni di litio, con una capacità specifica teorica di 372 mAh/g. Per migliorare le prestazioni, sono stati sviluppati nuovi materiali come il carbonio duro e il carbonio morbido per la ricarica rapida e gli scenari a bassa temperatura.

Batterie al piombo

L'aggiunta di materiali di carbonio all'elettrodo positivo delle batterie al piombo-acido come agenti conduttivi può migliorare le loro prestazioni di scarica ad alta corrente. Grazie al vantaggio in termini di costi, queste batterie occupano ancora una posizione importante in settori quali l'avviamento delle automobili e le centrali di accumulo dell'energia. La loro densità energetica è di circa 50-70 Wh/kg e sono facili da mantenere.

Supercapacitore

La struttura porosa del carbone attivo fa sì che la sua superficie specifica superi i 2000 m²/g. La sua densità di potenza raggiunge i 10 kW/kg (10 volte quella delle batterie al litio), ma la sua densità energetica è bassa (5-10 Wh/kg). È quindi adatto a scenari con corrente elevata istantanea, come la ricarica rapida degli autobus e l'avviamento dei macchinari da costruzione.

Campo di elettrolisi

Elettrolisi dell'acqua

Nell'elettrolisi alcalina dell'acqua per la produzione di idrogeno, la velocità di corrosione degli elettrodi di feltro di carbonio in una soluzione di KOH 30% è di soli 0,001 mm/anno. Dopo aver caricato il catalizzatore, l'efficienza dell'elettrolisi supera le 80%. Con lo sviluppo dell'industria dell'idrogeno verde, l'applicazione degli elettrodi a base di carbonio continua ad espandersi.

Produzione di alluminio per elettrolisi

L'elettrolisi dell'alluminio deve essere effettuata in sale fuso a 950-980℃, e anodi di carbonio possono lavorare in modo stabile. Per produrre una tonnellata di alluminio si consumano 500-600 chilogrammi di anodi di carbonio. La domanda annuale globale supera i 30 milioni di tonnellate.

Industria dei cloro-alcali

Gli anodi di grafite sono in grado di resistere alla corrosione da cloro e sono economicamente vantaggiosi, con costi pari a solo 1/5 di quelli degli elettrodi di titanio. Possono quindi essere ampiamente utilizzati nelle tradizionali celle elettrolitiche a diaframma. La loro attività catalitica può anche ridurre la tensione della cella elettrolitica e risparmiare energia elettrica.

Campo galvanico

In galvanotecnica Gli anodi di grafite hanno una forte resistenza alla corrosione in elettroliti fortemente acidi. Inoltre, sono in grado di mantenere un potenziale stabile per garantire un rivestimento uniforme. Con una buona conducibilità elettrica e un peso ridotto, sono flessibili. elettrodi di carbonio sono diventati la scelta preferita per gli scenari portatili nella placcatura a pennello.

Conclusione

I vantaggi principali dell'utilizzo del carbonio come elettrodo derivano dall'allineamento delle sue proprietà fisiche e chimiche con le esigenze industriali. È conduttivo e ha diverse strutture adatte all'accumulo di energia, è chimicamente stabile e resistente alla corrosione. Inoltre, i suoi vantaggi in termini di costi e di lavorazione ne favoriscono l'applicazione su larga scala.