Anodo di grafite

Materiale anodico in grafite

Perché scegliere la grafite per gli anodi?

La grafite è nota come uno dei materiali anodici più utilizzati nelle batterie agli ioni di litio, grazie alle sue elevate conducibilità elettroniche sia degli innesti in massa che di quelli superficiali, nonché alla sua stabilità elettrochimica durante i processi di intercalazione/deintercalazione che comportano il (de)inserimento degli ioni di litio durante il ciclo. Questo è importante per le batterie di lunga durata, poiché significa che gli ioni di litio possono riempire la struttura di grafite senza danneggiarla. Inoltre, grafite è molto meno pesante e chimicamente inerte rispetto, ad esempio, all'acciaio o a un'altra sostanza. In effetti, un anodo di grafite è preferito ad altri elettrodi inerti.

L'importanza della conduttività

Il motivo della scelta della grafite per l'anodo è che è un buon conduttore; durante il processo di carica o scarica, gli elettroni possono muoversi liberamente nella grafite. In questo modo, la carica della batteria rimane inalterata e può fornire energia a tutte le strutture che vi si appoggiano. Si tratta di un aspetto fondamentale, perché senza la straordinaria conduttività della grafite una batteria non sarebbe in grado di funzionare.

Grafite nelle batterie agli ioni di litio

Gli anodi di grafite sono indispensabili per le batterie agli ioni di litio. Durante la carica, gli ioni di litio si intercalano tra gli strati di grafite. Quando si scaricano, tornano al catodo dove questo movimento genera una corrente elettrica che può essere utilizzata per alimentare i vostri gadget. La capacità della grafite di immagazzinare reversibilmente grandi quantità di energia elettrica la rende un serbatoio indispensabile per immagazzinare e rilasciare elettricità nelle batterie agli ioni di litio.

Batteria agli ioni di litio vs batteria alla grafite

La differenza più significativa che separa le batterie alla grafite da quelle agli ioni di litio risiede nel materiale anodico. A differenza delle batterie tradizionali batterie agli ioni di litioAlcune nuove tecnologie utilizzano il silicio (invece della sola grafite) come materiale anodico. Tra due cavalli di battaglia, la grafite vince sulla durata del ciclo, mentre il silicio vince sulla densità di energia potenziale. Il problema, tuttavia, è che gli anodi di silicio emettono un fastidioso rigonfiamento durante la carica, causando danni strutturali fatali ai pacchi batteria. Tuttavia, la grafite è il materiale più comune, a cavallo tra prestazioni e affidabilità.

Processo di elettrolisi dell'anodo di grafite

Durante i processi di carica e scarica delle batterie agli ioni di litio, nell'anodo di grafite si verifica una reazione elettrochimica. A livello cellulare, all'anodo la batteria funziona per elettrolisi, dove gli ioni di litio carichi passano all'interno e vengono catturati nella grafite. Con il rilascio di ioni alla scarica, questi ioni passano di nuovo al catodo, rilasciando energia. Il processo è inoltre reversibile e consente di ricaricare la batteria innumerevoli volte prima che l'anodo di grafite si deteriori.

Anodo di grafite e anodo di silicio a confronto

La maggiore capacità teorica degli anodi di silicio (rispetto a quelli tipici di grafite) ha suscitato un certo interesse per questo materiale. L'uso del silicio al posto della grafite è vantaggioso perché ha una maggiore capacità di immagazzinare ioni di litio e quindi può aumentare la densità energetica della batteria. Il silicio ha però un grosso svantaggio: si gonfia e si restringe drasticamente quando la batteria si carica e si scarica. Quando ciò accade, l'anodo si gonfia, causando in genere una frattura e, in ultima analisi, un guasto. Al contrario, la grafite può mantenere la sua struttura per molti cicli di carica e scarica, il che la rende più durevole e affidabile per un'applicazione a lungo termine. Anche se gli anodi a base di silicio potrebbero essere il futuro delle batterie ad alta capacità, la maggior parte delle applicazioni si basa ancora sulla buona vecchia grafite.

Catodo di grafite e anodo

In una batteria agli ioni di litio i ruoli di anodo e catodo sono invertiti. Durante la carica, gli ioni di litio vivono all'anodo, mentre durante la scarica vengono ceduti al catodo. In pratica, l'anodo è una grafite a causa delle sue proprietà chimiche relative all'intercalazione del litio. Invece, altri materiali sono utilizzati nella catodo - L'ossido di litio e cobalto o il fosfato di ferro, ad esempio, sono più adatti a far entrare gli ioni e a catturarli. Per questo motivo, per dare un senso al funzionamento della batteria, è necessario pensare agli anodi e ai catodi in base alla loro identità.

Il processo di produzione degli anodi di grafite

Il primo è che la grafite grezza deve essere pulita e le impurità, quali silicio, ferro o ossigeno estratti. La fase successiva consiste nel mescolare la grafite con leganti per ottenere una pasta. Questa pasta viene poi ricoperta con un rullo su un foglio di rame, che funge da collettore di corrente. Il materiale viene poi essiccato e compattato in modo da garantire uno spessore uniforme, dopo che lo strato di riempimento è stato rivestito. Gli anodi vengono riscaldati ad alte temperature affinché acquisiscano le loro proprietà elettrochimiche. Questi vengono tagliati nelle forme e dimensioni necessarie, finalizzate all'inserimento nelle batterie.

Perché l'anodo è fatto di grafite e non di acciaio?

L'acciaio ha una bassa conducibilità elettrica e quindi il litio non può essere intercalato nell'acciaio. Ciò ridurrebbe notevolmente le prestazioni della batteria. D'altra parte, la grafite è un ottimo conduttore e può tollerare il movimento degli ioni di litio senza troppe rotture. La grafite è anche un ottimo candidato per gli anodi delle batterie se si considerano sia il peso che la stabilità chimica/resistenza alla corrosione, più di materiali come l'acciaio.

Applicazioni degli anodi di grafite

Gli anodi di grafite hanno molteplici scopi oltre alle batterie agli ioni di litio. Sono impiegati nelle reazioni elettrochimiche, ad esempio nell'elettrolisi dell'acqua, dove favoriscono la scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando la grafite. Gli anodi di grafite sono utilizzati anche in altri tipi di batterie (come quelle agli ioni di sodio) e nell'accumulo di energia. L'anodo di grafite sintetica è un materiale chiave utilizzato nella transizione verso le energie rinnovabili, perché ci permette di immagazzinare la natura intermittente delle energie rinnovabili, come il solare e l'eolico.