Por que o carbono é usado como eletrodo?

Na tecnologia e no setor modernos, a seleção de materiais de eletrodos é de importância vital. Desde a indústria de eletrólise até os sistemas de armazenamento de energia, os materiais de carbono sempre ocuparam uma posição central nos materiais de eletrodos. Mas por que o carbono pode se destacar entre vários materiais? Isso é inseparável de suas propriedades físicas exclusivas, estabilidade química, vantagem de custo e ampla aplicabilidade.

Propriedades físicas Vantagens do carbono como eletrodo

Condutividade elétrica

O grafite é um tipo de alótropo de carbono, que tem uma estrutura típica em camadas. Os átomos de carbono em cada camada são hibridizados em sp² para formar um plano hexagonal. E os elétrons dentro das camadas podem se mover livremente, o que lhe confere excelente condutividade elétrica (até 10⁴ S/m). Essa característica torna o carbono um meio eficiente para a transmissão de elétrons no eletrodo. Quando o carbono é usado como eletrodo de bateria, ele pode conduzir elétrons rapidamente durante o processo de carga e descarga, reduzindo a perda de resistência interna. Em uma célula eletrolítica, a alta condutividade pode reduzir o consumo de energia e aumentar a eficiência da reação. Embora a condutividade elétrica do carbono seja ligeiramente inferior à do cobre e do alumínio, ele tem vantagens mais abrangentes em cenários como resistência à corrosão e leveza.

Baixa densidade

A densidade do carbono é muito menor do que a dos materiais de eletrodos metálicos, geralmente entre 1,5 e 2,3 g/cm³. Esse recurso o torna indispensável em campos sensíveis ao peso, como baterias de energia e dispositivos eletrônicos portáteis. O uso de materiais de carbono como eletrodo negativo pode reduzir significativamente o peso da bateria e aumentar sua densidade de energia. Além disso, em campos de ponta, como o aeroespacial, a vantagem da leveza dos eletrodos de carbono pode reduzir diretamente a carga do equipamento e otimizar o desempenho geral.

Diversidade estrutural

A microestrutura do carbono pode assumir várias formas por meio da regulação do processo:

Estrutura em camadas

A distância interlamelar do grafite é de cerca de 0,335 nm, o que permite apenas a intercalação de íons de lítio. Isso o torna um material ideal para o eletrodo negativo das baterias de lítio. A taxa de difusão dos íons de lítio pode chegar a 10^-10 cm²/s, garantindo assim uma carga e descarga rápidas.

Estrutura porosa

Após o tratamento de ativação, a área de superfície específica do carvão ativado atinge mais de 2.000 m²/g. Devido à rede tridimensional de poros, ele pode armazenar cargas em supercapacitores por meio do efeito de camada dupla, e a densidade de potência pode chegar a 10 kW/kg.

Nanoestrutura

As formas unidimensionais/ bidimensionais dos nanotubos de carbono e do grafeno possuem alta condutividade elétrica e resistência mecânica. Portanto, são adequadas para uso como eletrodos em dispositivos eletrônicos flexíveis e adaptáveis a condições de trabalho complexas, como flexão.

Propriedades químicas Vantagens do carbono como eletrodo

Estabilidade química

Em temperatura e pressão normais, o carbono dificilmente reage com soluções ácidas, básicas ou salinas, de modo que pode manter a estabilidade estrutural em ambientes eletroquímicos complexos. Nas células eletrolíticas do setor de cloro e álcalis, os eletrodos de carbono podem resistir à corrosão de eletrólitos fortemente alcalinos. Mesmo que a temperatura aumente, a estabilidade do carbono permanece proeminente. Por exemplo, o grafite, um material indispensável na eletrólise de alta temperatura, tem um ponto de fusão que pode chegar a 3652°C em uma atmosfera inerte.

Resistência à corrosão

A vantagem da resistência à corrosão do carbono é particularmente significativa. Os eletrodos de carbono dificilmente são corroídos em eletrólitos neutros ou alcalinos e podem manter uma eficiência eletrolítica estável. Além disso, em cenários altamente corrosivos, como o tratamento químico de águas residuais, a vida útil dos eletrodos de carbono é muito maior do que a dos materiais metálicos. Isso reduz os custos de manutenção do equipamento.

Desempenho catalítico

Alguns materiais de carbono podem apresentar atividade catalítica após a modificação. Por exemplo, após a dopagem com elementos como nitrogênio e boro, é possível usar o carbono poroso como catalisador para a reação de redução de oxigênio (ORR). Em geral, é possível aplicá-lo em células de combustível. Os grupos funcionais na superfície do carvão ativado podem promover a reação de evolução do hidrogênio (HER) na água eletrolisada. Essa função dupla de "condutividade + catálise" permite que os eletrodos de carbono sejam eficientes e econômicos no campo da conversão de energia. Além disso, evita a pressão do custo da adição de catalisadores de metais preciosos adicionais, como a platina.

Custo e processabilidade dos eletrodos de carbono

Vantagem de custo

As fontes de carbono são extremamente abundantes: carvão, coque de petróleo etc. podem ser usados como matéria-prima para eletrodos de carbono. E seus preços são muito mais baixos do que os dos metais ou materiais raros. Além disso, por meio de métodos como calcinação em alta temperatura, carbonização e ativação, eles podem ser produzidos em massa. Como o processo de preparação de materiais de carbono é maduro, os custos são ainda mais reduzidos. Essa eficiência econômica proporciona uma vantagem absoluta em aplicações industriais de larga escala, como baterias de chumbo-ácido e o setor de cloro e álcalis.

Processabilidade

Os materiais de carbono podem ser processados de forma flexível, conforme necessário:

Moldagem em pó

O pó de carbono é misturado com o aglutinante e laminado para produzir o pó positivo e o pó de carbono. eletrodo negativo folhas de baterias de lítio, com a espessura controlável entre 50 e 150μm.

Tecelagem de fibras

Materiais tridimensionais, como feltro de carbono e tecido de carbono, têm uma porosidade de 70%-80%. Isso aumenta a área de reação e é adequado para eletrodos eletrolíticos de água.

Processo de revestimento

A pasta de carbono é revestida em substratos metálicos (como malha de titânio) para preparar eletrodos compostos com condutividade elétrica e resistência à corrosão. Você pode usá-los no campo da galvanoplastia.

Principais áreas de aplicação dos eletrodos de carbono

Campos de energia e baterias

Nas baterias de lítio, você pode usá-lo como ânodo de grafite. A estrutura em camadas do grafite permite a intercalação reversível de íons de lítio, com uma capacidade específica teórica de 372 mAh/g. Para melhorar o desempenho, novos materiais, como carbono duro e carbono macio, foram desenvolvidos para carregamento rápido e cenários de baixa temperatura.

Baterias de chumbo-ácido

A adição de materiais de carbono ao eletrodo positivo das baterias de chumbo-ácido como agentes condutores pode melhorar seu desempenho de descarga de alta corrente. Com a vantagem do custo, elas ainda ocupam uma posição importante em áreas como a partida de carros e estações de energia de armazenamento de energia. E sua densidade de energia é de aproximadamente 50-70 Wh/kg, o que facilita a manutenção.

Supercapacitor

A estrutura porosa do carvão ativado faz com que sua área de superfície específica ultrapasse 2.000 m²/g. Sua densidade de potência chega a 10 kW/kg (10 vezes a das baterias de lítio), mas sua densidade de energia é baixa (5-10 Wh/kg). Portanto, ela é adequada para cenários com alta corrente instantânea, como carregamento rápido de ônibus e partida de máquinas de construção.

Campo de eletrólise

Eletrólise da água

Na eletrólise alcalina da água para a produção de hidrogênio, a taxa de corrosão dos eletrodos de feltro de carbono em uma solução de KOH 30% é de apenas 0,001 mm/ano. Após o carregamento do catalisador, a eficiência da eletrólise excede 80%. Com o desenvolvimento do setor de hidrogênio verde, a aplicação de eletrodos à base de carbono continua a se expandir.

Produção de eletrólise de alumínio

A eletrólise do alumínio precisa ser realizada em sal fundido a 950-980 ℃, e ânodos de carbono pode funcionar de forma estável. A produção de uma tonelada de alumínio consome de 500 a 600 quilos de ânodos de carbono. A demanda anual global ultrapassa 30 milhões de toneladas.

Indústria de cloro e álcalis

Os ânodos de grafite podem resistir à corrosão por cloro e são econômicos, com custos de apenas 1/5 dos custos dos eletrodos de titânio. Portanto, podem ser amplamente utilizados em células eletrolíticas de diafragma tradicionais. Sua atividade catalítica também pode reduzir a tensão da célula eletrolítica e economizar eletricidade.

Campo de galvanoplastia

Em galvanoplastia Em processos como revestimento de cromo, os ânodos de grafite têm forte resistência à corrosão em eletrólitos fortemente ácidos. Além disso, eles podem manter um potencial estável para garantir um revestimento uniforme. Com boa condutividade elétrica e peso leve, são flexíveis eletrodos de carbono se tornaram a escolha preferida para cenários portáteis em chapeamento de escovas.

Conclusão

As principais vantagens do uso do carbono como eletrodo decorrem do alinhamento de suas propriedades físicas e químicas com as demandas industriais. Ele é condutor e tem diversas estruturas adequadas para o armazenamento de energia, é quimicamente estável e resistente à corrosão. E suas vantagens de custo e processamento promovem a aplicação em larga escala.