O grafite é um ânodo ou um cátodo?

No campo da eletroquímica, os materiais dos eletrodos são fundamentais para a operação de baterias, células eletrolíticas e outros dispositivos. O grafite tem estrutura e propriedades químicas especiais, que podem ser usadas como ânodo ou cátodo. É de grande importância explorar sua função, conversão e princípio de aplicação.

O grafite é um ânodo ou cátodo?

A resposta não é absoluta, mas depende do sistema eletroquímico específico no qual ele está localizado. Em diferentes ambientes de bateria e célula, o grafite pode assumir com flexibilidade as funções de ânodo ou cátodo, de acordo com as necessidades da reação. Essa propriedade exclusiva faz com que o grafite seja extremamente usado no campo da eletroquímica, tornando-se uma parte indispensável de muitos dispositivos eletroquímicos.

Grafite como ânodo

Aplicativos comuns

Baterias de íons de lítio

Atualmente, as baterias de íon-lítio são amplamente utilizadas em vários dispositivos eletrônicos e veículos elétricos, e o grafite é o material anódico preferido. Nas baterias de íons de lítio, ele fornece uma plataforma estável para o armazenamento e a transmissão de íons de lítio. Por exemplo, em nosso uso diário de telefones celulares e baterias de laptop, os ânodos de grafite garantem que a bateria possa ser carregada e descarregada com eficiência. Além disso, ele fornece suporte de energia estável para a operação de longo prazo do dispositivo.

Eletrólise de alumínio

No processo de fundição do alumínio, a eletrólise do alumínio é um elo fundamental, e ânodos de grafite desempenham um papel central aqui. Quando o alumínio é preparado pelo sistema eletrolítico de sal fundido de alumina-criolita, ele é um canal de condução de elétrons. E também é um participante importante na reação química. Uma grande quantidade de alumínio metálico é produzida dessa forma todos os anos. E o fornecimento estável e o desempenho dos ânodos de grafite afetam diretamente o desenvolvimento do setor de alumínio.

Princípio de funcionamento e mecanismo de reação

Durante o carregamento, os íons de lítio são removidos do eletrodo positivo. Em seguida, eles são incorporados à estrutura em camadas do grafite por meio do eletrólito, e ocorre a reação de incorporação. O processo de descarga é o oposto, os íons de lítio do grafite retornam ao eletrodo positivo. Para obter a liberação de energia elétrica. Esse processo de entrada e saída é repetido para completar o ciclo de carga e descarga da bateria.

Na célula eletrolítica de alumínio, a principal reação que ocorre no ânodo de grafite é a reação de oxidação de íons de carbono e oxigênio. À medida que a eletrólise continua, ele é gradualmente consumido. É por isso que o ânodo precisa ser substituído regularmente durante o processo de eletrólise do alumínio.

Vantagens

Alta capacidade específica teórica

O grafite tem uma alta capacidade específica teórica; em baterias de íons de lítio, sua capacidade específica teórica pode chegar a 372mAh/g. Isso significa que a unidade de massa pode armazenar mais íons de lítio. Assim, a bateria tem uma densidade de energia maior, para atender às necessidades de longa duração dos equipamentos modernos.

Boa condutividade elétrica

A boa condutividade elétrica permite que ele conduza elétrons rapidamente e reduza a resistência interna das baterias ou células eletrolíticas. Nas baterias de íons de lítio, isso ajuda a melhorar a eficiência de carga e descarga e a reduzir a perda de energia. Na eletrólise do alumínio, ele pode garantir a eficiência do processo eletrolítico.

O custo é relativamente baixo

Em comparação com alguns materiais anódicos raros ou caros, ele tem um custo relativamente baixo e recursos abundantes. Isso o torna uma vantagem econômica significativa em aplicações de larga escala. Seja em baterias de íon-lítio no campo de eletrônicos de consumo ou em eletrólise de alumínio na produção industrial em larga escala. Ele pode controlar efetivamente os custos.

Grafite como cátodo

Aplicações típicas

Células a combustível parciais

Em algumas células de combustível, como as células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC), ele pode ser amplamente utilizado no cátodo. Ele pode ser usado principalmente para preparar a placa de campo de fluxo do cátodo, que é responsável por distribuir uniformemente o gás de reação. Ela garante que o oxigênio possa chegar sem problemas ao local da reação e conduz elétrons para promover a reação eletroquímica.

Algumas células eletrolíticas especiais

Em algumas células eletrolíticas especiais, o cátodo de grafite pode proporcionar um ambiente de reação específico. Como os usados para síntese orgânica, ele pode promover a reação de redução de compostos orgânicos. Por exemplo, na eletrossíntese de alguns intermediários de medicamentos, os cátodos de grafite desempenham um papel fundamental.

Princípio da reação eletroquímica em ação

Tomando como exemplo as células de combustível de membrana de troca de prótons, a reação de redução do oxigênio ocorre no cátodo de grafite. Os elétrons que fluem do circuito externo são transferidos para o oxigênio por meio do catodo de grafite. Enquanto os prótons migram do ânodo para o cátodo por meio da membrana de troca de prótons e reagem com o oxigênio e os elétrons para formar água. Em seguida, ocorre a conversão da energia química em energia elétrica.

Na célula eletrolítica de síntese orgânica, as moléculas de compostos orgânicos no catodo de grafite recebem elétrons. E ocorre uma reação de redução para gerar o produto-alvo. O mecanismo de reação específico varia de acordo com os diferentes compostos orgânicos e condições de reação. Mas o catodo de grafite sempre fornece elétrons para a reação e mantém a estabilidade do ambiente de reação.

Vantagens

Boa estabilidade química

O grafite tem boa estabilidade química na maioria dos ambientes eletrolíticos. Ele pode resistir à corrosão do eletrólito e garantir o desempenho estável do cátodo em um longo processo de trabalho. Além disso, prolonga a vida útil da bateria ou da piscina eletrolítica.

Excelente condutividade elétrica

Como cátodo, a boa condutividade elétrica ainda é uma de suas vantagens importantes. Ela pode garantir a rápida transmissão de elétrons, fazer com que a reação eletroquímica ocorra sem problemas e melhorar a taxa e a eficiência da reação.

Boa processabilidade

É fácil de processar e formar. E peças de cátodo de vários formatos e tamanhos podem ser preparadas de acordo com diferentes requisitos de projeto de baterias ou células eletrolíticas. Por exemplo, em células de combustívelSe a placa de campo de fluxo for usada em uma estrutura de canal de fluxo complexa, ela poderá ser processada. Para atender às necessidades de difusão de gás e condução de elétrons.

Fatores que afetam as propriedades dos eletrodos de grafite

Influência da pureza e das impurezas do material de grafite

A pureza do material de grafite tem influência significativa no desempenho do eletrodo. O grafite de alta pureza pode reduzir as reações colaterais causadas por impurezas. Por exemplo, em baterias de íons de lítio, se o ânodo de grafite contiver impurezas metálicas, poderá causar a autodescarga da bateria. E acelerar o declínio da capacidade. As impurezas também podem alterar sua estrutura cristalina, dificultando a inserção e a remoção de íons de lítioe reduz o desempenho da bateria.

Alterações da estrutura e das propriedades do grafite pelo processo de preparação

Diferentes processos de preparação resultam em diferentes estruturas cristalinas e propriedades físicas do grafite. A calcinação em alta temperatura pode melhorar a cristalinidade do grafite e aumentar sua condutividade elétrica. Processos especiais de moldagem, como a prensagem isostática, podem uniformizar a densidade do grafite, melhorar a resistência mecânica e as propriedades eletroquímicas. Ao otimizar o processo de preparação, as propriedades do grafite podem ser reguladas para atender às necessidades de diferentes cenários de aplicação.

Composição do eletrólito e condições de trabalho

A composição do eletrólito alterará as propriedades da interface entre o eletrodo de grafite e o eletrólito. Os aditivos adequados para o eletrólito podem melhorar a estrutura da membrana interfacial, aumentar o desempenho de carga e descarga e a vida útil do ciclo do eletrodo. As condições de trabalho, como temperatura e densidade de corrente, também têm efeitos importantes sobre o desempenho dos eletrodos de grafite. Uma temperatura muito alta acelerará a corrosão e o envelhecimento do eletrodo de grafite. E uma densidade de corrente muito grande levará ao aumento da polarização do eletrodo e reduzirá o desempenho da bateria ou da célula eletrolítica.

Conclusão

O grafite desempenha funções de ânodo e cátodo no campo da eletroquímica. Ele pode ser amplamente utilizado em baterias, eletrólise e outros cenários. Seu desempenho é afetado por muitos fatores. Com o progresso contínuo da ciência e da tecnologia, acredita-se que o grafite continuará a desempenhar um papel importante no campo da eletroquímica.