Is grafiet een anode of kathode?

In de elektrochemie vormen elektrodematerialen de sleutel tot de werking van batterijen, elektrolytische cellen en andere apparaten. Grafiet heeft een speciale structuur en chemische eigenschappen, die kunnen worden gebruikt als anode of kathode. Het is van groot belang om de rol van conversie en het toepassingsprincipe te onderzoeken.

Is grafiet een anode of kathode?

Het antwoord is niet absoluut, maar hangt af van het specifieke elektrochemische systeem waarin het zich bevindt. In verschillende batterij- en celomgevingen kan grafiet flexibel de taken van anode of kathode op zich nemen, afhankelijk van de reactiebehoeften. Door deze unieke eigenschap wordt grafiet zeer veel gebruikt in de elektrochemie en is het een onmisbaar onderdeel van veel elektrochemische apparaten.

Grafiet als anode

Algemene toepassingen

Lithium-ion batterijen

Lithium-ion-accu's worden nu op grote schaal gebruikt in verschillende elektronische apparaten en elektrische voertuigen, en grafiet is het anodemateriaal bij uitstek. In lithium-ionbatterijen biedt het een stabiel platform voor de opslag en overdracht van lithiumionen. In ons dagelijks gebruik van mobiele telefoons en laptopbatterijen zorgen grafietanoden er bijvoorbeeld voor dat de batterij efficiënt kan worden opgeladen en ontladen. En het biedt stabiele stroomondersteuning voor langdurig gebruik van het apparaat.

Aluminium elektrolyse

In het smeltproces van aluminium is aluminiumelektrolyse een belangrijke schakel, en grafietanoden spelen hier een centrale rol. Wanneer aluminium wordt bereid door elektrolytisch aluminiumoxide-cryoliet gesmolten zoutsysteem, is het een kanaal voor elektronengeleiding. En het is ook een belangrijke deelnemer aan chemische reacties. Op deze manier wordt elk jaar een grote hoeveelheid aluminiummetaal geproduceerd. En de stabiele aanvoer en prestaties van grafietanoden hebben een directe invloed op de ontwikkeling van de aluminiumindustrie.

Werkingsprincipe en reactiemechanisme

Tijdens het opladen worden lithiumionen verwijderd van de positieve elektrode. Vervolgens worden ze door de elektrolyt ingebed in de gelaagde structuur van grafiet en vindt de inbeddingsreactie plaats. Het ontladingsproces is het tegenovergestelde: lithiumionen uit het grafiet keren terug naar de positieve elektrode. Zo komt er elektrische energie vrij. Dit input-out proces wordt herhaald om de laad- en ontlaadcyclus van de batterij te voltooien.

In de aluminium elektrolytische cel is de belangrijkste reactie die plaatsvindt op de grafietanode de oxidatiereactie van koolstof- en zuurstofionen. Naarmate de elektrolyse voortduurt, wordt het grafiet geleidelijk verbruikt. Daarom moet de anode regelmatig worden vervangen tijdens het elektrolyseproces van aluminium.

Voordelen

Hoge theoretische specifieke capaciteit

Grafiet heeft een hoge theoretische specifieke capaciteit, in lithium-ionbatterijen kan de theoretische specifieke capaciteit 372mAh/g bereiken. Dit betekent dat de massa per eenheid meer lithiumionen kan opslaan. Zodat de batterij een hogere energiedichtheid heeft, om te voldoen aan de behoeften van moderne apparatuur voor een lange levensduur.

Goede elektrische geleidbaarheid

Dankzij het goede elektrische geleidingsvermogen geleidt het elektronen snel en vermindert het de interne weerstand van batterijen of elektrolytische cellen. In lithium-ionbatterijen helpt dit om de laad- en ontlaadefficiëntie te verbeteren en energieverlies te verminderen. In aluminiumelektrolyse kan het zorgen voor een efficiënt elektrolytisch proces.

De kosten zijn relatief laag

Vergeleken met sommige zeldzame of dure anodematerialen heeft het relatief lage kosten en rijke grondstoffen. Dit maakt het een belangrijk economisch voordeel in grootschalige toepassingen. In lithium-ionbatterijen voor consumentenelektronica of in aluminiumelektrolyse voor grootschalige industriële productie. Het kan de kosten effectief beheersen.

Grafiet als kathode

Typische toepassingen

Gedeeltelijke brandstofcellen

In sommige brandstofcellen, zoals protonuitwisselingsmembraanbrandstofcellen (PEMFC), kun je het op grote schaal gebruiken in de kathode. Je kunt het voornamelijk gebruiken om de kathodestroomveldplaat voor te bereiden, die verantwoordelijk is voor het gelijkmatig verdelen van het reactiegas. Het zorgt ervoor dat zuurstof soepel de reactielocatie kan bereiken en geleidt elektronen om de elektrochemische reactie te bevorderen.

Sommige speciale elektrolytische cellen

In sommige speciale elektrolytische cellen is de grafietkathode kan een specifieke reactieomgeving bieden. Zoals die gebruikt worden voor organische synthese, kan het de reductiereactie van organische verbindingen bevorderen. Bij de elektrosynthese van sommige tussenproducten van geneesmiddelen spelen grafietkathoden bijvoorbeeld een sleutelrol.

Principe van elektrochemische reactie aan het werk

Als we protonuitwisselingsmembraanbrandstofcellen als voorbeeld nemen, vindt de reductiereactie van zuurstof plaats op de grafietkathode. Elektronen die binnenstromen vanuit het externe circuit worden via de grafietkathode overgedragen op zuurstof. Protonen migreren van de anode naar de kathode via het protonuitwisselingsmembraan en reageren met zuurstof en elektronen om water te vormen. Zo wordt chemische energie omgezet in elektrische energie.

In de elektrolytische cel voor organische synthese krijgen de moleculen van de organische verbinding op de grafietkathode elektronen. En er vindt een reductiereactie plaats om het doelproduct te genereren. Het specifieke reactiemechanisme varieert met verschillende organische verbindingen en reactieomstandigheden. Maar de grafietkathode levert altijd elektronen voor de reactie en handhaaft de stabiliteit van de reactieomgeving.

Voordelen

Goede chemische stabiliteit

Grafiet heeft een goede chemische stabiliteit in de meeste elektrolytomgevingen. Het is bestand tegen de corrosie van de elektrolyt en zorgt voor stabiele prestaties van de kathode in het lange werkproces. En het verlengt de levensduur van de batterij of het elektrolytische bassin.

Uitstekende elektrische geleidbaarheid

Als kathode is de goede elektrische geleidbaarheid nog steeds een van de belangrijke voordelen. Het kan zorgen voor een snelle overdracht van elektronen, de elektrochemische reactie soepel laten verlopen en de reactiesnelheid en efficiëntie verbeteren.

Goede verwerkbaarheid

Het is gemakkelijk te verwerken en te vormen. En kathodeonderdelen van verschillende vormen en afmetingen kunnen worden gemaakt volgens de verschillende vereisten voor het ontwerp van batterijen of elektrolytische cellen. Bijvoorbeeld in brandstofcellenkun je het verwerken tot een stromingsveldplaat met een complexe stromingskanaalstructuur. Om te voldoen aan de behoeften van gasdiffusie en elektronengeleiding.

Factoren die de eigenschappen van grafietelektroden beïnvloeden

Invloed van zuiverheid en onzuiverheden van grafietmateriaal

De zuiverheid van grafietmateriaal heeft een grote invloed op de prestaties van de elektrode. Zeer zuiver grafiet kan de nevenreacties door onzuiverheden verminderen. In lithium-ion-accu's bijvoorbeeld kan zelfontlading van de accu optreden als de grafietanode metaalonzuiverheden bevat. En het verval van de capaciteit versnellen. Onzuiverheden kunnen ook de kristalstructuur veranderen en het invoegen en verwijderen van onzuiverheden belemmeren. lithium-ionenen verminderen de prestaties van de batterij.

Veranderingen van grafietstructuur en -eigenschappen door bereidingsproces

Verschillende prepareerprocessen geven verschillende kristalstructuren en fysische eigenschappen van grafiet. Het calcineren bij hoge temperatuur kan de kristalliniteit van grafiet verbeteren en het elektrisch geleidingsvermogen verhogen. Speciale vormprocessen, zoals isostatisch persen, kunnen de grafietdichtheid uniform maken en de mechanische sterkte en elektrochemische eigenschappen verbeteren. Door het prepareerproces te optimaliseren, kunnen de eigenschappen van grafiet worden aangepast aan de behoeften van verschillende toepassingsscenario's.

Samenstelling van elektrolyten en werkomstandigheden

De samenstelling van het elektrolyt verandert de interface-eigenschappen tussen de grafietelektrode en het elektrolyt. Geschikte elektrolytadditieven kunnen de interfaciale membraanstructuur verbeteren en de laad- en ontlaadprestaties en levensduur van de elektrode verhogen. Werkomstandigheden zoals temperatuur en stroomdichtheid hebben ook belangrijke effecten op de prestaties van grafietelektroden. Een te hoge temperatuur versnelt de corrosie en veroudering van de grafietelektrode. En een te hoge stroomdichtheid leidt tot verhoogde polarisatie van de elektrode en vermindert de prestaties van de accu of elektrolytische cel.

Conclusie

Grafiet speelt zowel de anode als de kathode in de elektrochemie. En je kunt het op grote schaal gebruiken in batterijen, elektrolyse en andere scenario's. De prestaties worden beïnvloed door vele factoren. Met de voortdurende vooruitgang van wetenschap en technologie wordt aangenomen dat grafiet een belangrijke rol zal blijven spelen in de elektrochemie.