Waarom wordt koolstof als elektrode gebruikt?

In de moderne technologie en industrie is de keuze van elektrodematerialen van vitaal belang. Van de elektrolyse-industrie tot energieopslagsystemen, koolstofmaterialen hebben altijd een sleutelpositie ingenomen in elektrodematerialen. Maar waarom onderscheidt koolstof zich van andere materialen? Dit is onlosmakelijk verbonden met zijn unieke fysische eigenschappen, chemische stabiliteit, kostenvoordeel en brede toepasbaarheid.

Fysische eigenschappen Voordelen van koolstof als elektroden

Elektrische geleidbaarheid

Grafiet is een soort allotroop van koolstof met een typische gelaagde structuur. De koolstofatomen in elke laag zijn gehybridiseerd in sp² om een hexagonaal vlak te vormen. En de elektronen binnen de lagen kunnen vrij bewegen, waardoor het een uitstekend elektrisch geleidingsvermogen heeft (tot 10⁴ S/m). Deze eigenschap maakt koolstof tot een efficiënt medium voor elektronenoverdracht in de elektrode. Wanneer koolstof wordt gebruikt als batterijelektrode, kan het snel elektronen geleiden tijdens het opladen en ontladen, waardoor het verlies aan interne weerstand wordt beperkt. In een elektrolytische cel kan een hoge geleidbaarheid het energieverbruik verminderen en de reactie-efficiëntie verbeteren. Hoewel de elektrische geleidbaarheid van koolstof iets lager is dan die van koper en aluminium, heeft het uitgebreidere voordelen in scenario's zoals corrosiebestendigheid en lichtgewicht.

Lage dichtheid

De dichtheid van koolstof is veel lager dan die van metalen elektrodematerialen, meestal tussen 1,5 en 2,3 g/cm.³. Deze eigenschap maakt het onmisbaar in gewichtsgevoelige toepassingen zoals voedingsbatterijen en draagbare elektronische apparaten. Het gebruik van koolstof als negatieve elektrode kan het gewicht van de batterij aanzienlijk verlagen en de energiedichtheid verhogen. Bovendien kan het lichtgewicht voordeel van koolstofelektroden op hoogwaardige gebieden zoals de luchtvaart de belasting van de apparatuur direct verlagen en de algehele prestaties optimaliseren.

Structurele diversiteit

De microstructuur van koolstof kan verschillende vormen aannemen door procesregulering:

Gelaagde structuur

De interlamellaire afstand van grafiet is ongeveer 0,335 nm, waardoor lithiumionen net kunnen interkristalliseren. Dit maakt het een ideaal materiaal voor de negatieve elektrode van lithiumbatterijen. De diffusiesnelheid van lithiumionen kan oplopen tot 10^-10 cm²/s, waardoor snel opladen en ontladen gegarandeerd is.

Poreuze structuur

Na activeringsbehandeling bereikt het specifieke oppervlak van actieve kool meer dan 2000 m²/g. Door het driedimensionale poriënnetwerk kan het ladingen opslaan in supercondensatoren via het dubbellaagse effect en kan de vermogensdichtheid 10 kW/kg bereiken.

Nanostructuur

De eendimensionale/tweedimensionale vormen van koolstofnanobuizen en grafeen hebben zowel een hoge elektrische geleidbaarheid als mechanische sterkte. Daarom zijn ze geschikt voor gebruik als elektrodes in flexibele elektronische apparaten en kunnen ze worden aangepast aan complexe werkomstandigheden zoals buigen.

Chemische eigenschappen Voordelen van koolstof als elektroden

Chemische stabiliteit

Bij normale temperatuur en druk reageert koolstof nauwelijks met zuren, basen of zoutoplossingen, zodat het structurele stabiliteit kan behouden in complexe elektrochemische omgevingen. In de elektrolytische cellen van de chlooralkali-industrie zijn koolstofelektroden bestand tegen corrosie van sterk alkalische elektrolyten. Zelfs als de temperatuur stijgt, blijft de stabiliteit van koolstof prominent aanwezig. Grafiet bijvoorbeeld, een onmisbaar materiaal in elektrolyse bij hoge temperaturen, heeft een smeltpunt dat 3652℃ kan bereiken in een inerte atmosfeer.

Corrosiebestendigheid

Het voordeel van de corrosiebestendigheid van koolstof is bijzonder groot. Koolstofelektroden corroderen nauwelijks in neutrale of alkalische elektrolyten en kunnen een stabiel elektrolytisch rendement behouden. Bovendien is de levensduur van koolstofelektroden in zeer corrosieve omgevingen, zoals de behandeling van chemisch afvalwater, veel langer dan die van metalen materialen. En dat verlaagt de onderhoudskosten van de apparatuur.

Katalytische prestaties

Sommige koolstofmaterialen kunnen katalytische activiteit vertonen na modificatie. Na dotering met elementen als stikstof en boor kun je poreuze koolstof bijvoorbeeld gebruiken als katalysator voor de zuurstofreductiereactie (ORR). En je kunt ze meestal toepassen in brandstofcellen. De functionele groepen op het oppervlak van actieve kool kunnen de waterstofevolutiereactie (HER) in geëlektrolyseerd water bevorderen. Door deze dubbele functie van "geleidbaarheid + katalyse" kunnen koolstofelektroden zowel efficiënt als economisch zijn op het gebied van energieomzetting. En het vermijdt de kostendruk van het toevoegen van extra edelmetaalkatalysatoren zoals platina.

Kosten en verwerkbaarheid van koolstofelektroden

Kostenvoordeel

Koolstofbronnen zijn er in overvloed: steenkool, petroleumcoke, enz. kunnen allemaal worden gebruikt als grondstof voor koolstofelektroden. En hun prijzen zijn veel lager dan die van metalen of zeldzame materialen. Bovendien kunnen ze met behulp van methoden als calcinatie bij hoge temperatuur, carbonisatie en activering in massa worden geproduceerd. Omdat het bereidingsproces van koolstofmaterialen volwassen is, worden de kosten nog verder verlaagd. Deze economische efficiëntie geeft het een absoluut voordeel in grootschalige industriële toepassingen, zoals loodzuurbatterijen en de chlooralkali-industrie.

Verwerkbaarheid

Koolstofmaterialen kunnen naar wens flexibel worden verwerkt:

Poeder gieten

Het koolstofpoeder wordt gemengd met het bindmiddel en gewalst om de positieve en negatieve elektrode platen van lithiumbatterijen, met een regelbare dikte van 50-150 µm.

Weven van vezels

Driedimensionale materialen zoals koolstofvilt en koolstofdoek hebben een porositeit van 70%-80%. Dit vergroot het reactiegebied en is geschikt voor elektrolytische elektroden van water.

Coatingproces

Koolstofslurry wordt gecoat op metalen substraten (zoals titanium gaas) om samengestelde elektroden te maken met zowel elektrische geleiding als corrosiebestendigheid. Je kunt ze gebruiken bij galvaniseren.

Belangrijkste toepassingsgebieden van koolstofelektroden

Energie en batterijvelden

In lithiumbatterijen kun je het gebruiken als grafietanode. De gelaagde structuur van grafiet maakt omkeerbare intercalatie van lithiumionen mogelijk, met een theoretische specifieke capaciteit van 372 mAh/g. Om de prestaties te verbeteren, zijn nieuwe materialen zoals harde koolstof en zachte koolstof ontwikkeld voor snel opladen en scenario's bij lage temperaturen.

Loodzuuraccu's

Door koolstofmaterialen als geleidende stoffen aan de positieve elektrode van loodzuurbatterijen toe te voegen, kunnen ze beter ontladen bij hoge stromen. Met het kostenvoordeel hebben ze nog steeds een belangrijke positie op gebieden zoals het starten van auto's en energieopslagcentrales. En hun energiedichtheid is ongeveer 50-70 Wh/kg, die gemakkelijk te onderhouden zijn.

Supercondensator

De poreuze structuur van actieve kool zorgt ervoor dat de specifieke oppervlakte meer dan 2000 m²/g bedraagt. De vermogensdichtheid bereikt 10 kW/kg (10 keer die van lithiumbatterijen), maar de energiedichtheid is laag (5-10 Wh/kg). Daarom is het geschikt voor scenario's met onmiddellijke hoge stroom, zoals het snelladen van bussen en het starten van bouwmachines.

Elektrolyse Veld

Elektrolyse van water

In de alkalische elektrolyse van water voor de productie van waterstof is de corrosiesnelheid van koolstofviltelektroden in een 30% KOH-oplossing slechts 0,001 mm/jaar. Na het laden van de katalysator overschrijdt de elektrolyse-efficiëntie 80%. Met de ontwikkeling van de groene waterstofindustrie blijft de toepassing van elektroden op basis van koolstof zich uitbreiden.

Productie van aluminiumelektrolyse

Aluminium elektrolyse moet worden uitgevoerd in gesmolten zout bij 950-980℃, en koolstofanoden stabiel kan werken. Voor de productie van een ton aluminium is 500-600 kilo koolstofanoden nodig. De wereldwijde jaarlijkse vraag bedraagt meer dan 30 miljoen ton.

Chloor-alkali industrie

Grafietanoden zijn bestand tegen chloorcorrosie en zijn kosteneffectief, met kosten die slechts 1/5 zijn van die van titaniumelektroden. Je kunt ze dus op grote schaal gebruiken in traditionele elektrolytische membraancellen. Hun katalytische activiteit kan ook de spanning van de elektrolytische cel verlagen en elektriciteit besparen.

Galvanisch veld

In galvaniseren processen zoals verchromen, hebben grafietanoden een sterke weerstand tegen corrosie in sterk zure elektrolyten. En ze kunnen een stabiel potentiaal handhaven om een uniforme coating te garanderen. Met een goed elektrisch geleidingsvermogen en licht gewicht, flexibel koolstofelektroden zijn de voorkeursoptie geworden voor draagbare scenario's bij borstelplaten.

Conclusie

De belangrijkste voordelen van het gebruik van koolstof als elektrode komen voort uit de afstemming van de fysische en chemische eigenschappen op de eisen van de industrie. Het is geleidend en heeft diverse structuren die geschikt zijn voor energieopslag, is chemisch stabiel en corrosiebestendig. En de kosten- en verwerkingsvoordelen bevorderen grootschalige toepassing.