В современных технологиях и промышленности выбор электродных материалов имеет жизненно важное значение. Начиная с электролиза и заканчивая системами хранения энергии, углеродные материалы всегда занимали ключевую позицию в электродных материалах. Но почему углерод выделяется среди множества материалов? Это связано с его уникальными физическими свойствами, химической стабильностью, выгодной стоимостью и широкой применимостью.
Физические свойства Преимущества углерода в качестве электродов
Электропроводность
Графит - это аллотроп углерода, который имеет типичную слоистую структуру. Атомы углерода в каждом слое гибридизированы в sp², образуя гексагональную плоскость. Электроны внутри слоев могут свободно перемещаться, что обеспечивает ему отличную электропроводность (до 104 С/м). Эта характеристика делает углерод эффективной средой для передачи электронов в электроде. Когда углерод используется в качестве электрода аккумулятора, он может быстро проводить электроны в процессе зарядки и разрядки, снижая потери внутреннего сопротивления. В электролитической ячейке высокая электропроводность может снизить потребление энергии и повысить эффективность реакции. Хотя электропроводность углерода немного уступает электропроводности меди и алюминия, он имеет более широкие преимущества в таких сценариях, как коррозионная стойкость и легкий вес.
Низкая плотность
Плотность углерода гораздо ниже, чем у металлических электродных материалов, обычно от 1,5 до 2,3 г/см3. Эта особенность делает его незаменимым в таких чувствительных к весу областях, как батареи питания и портативные электронные устройства. Использование углеродных материалов в качестве отрицательного электрода позволяет значительно снизить вес батареи и увеличить ее плотность энергии. Кроме того, в таких высокотехнологичных областях, как аэрокосмическая промышленность, преимущество легкого веса углеродных электродов позволяет напрямую снизить нагрузку на оборудование и оптимизировать общую производительность.
Структурное разнообразие
Микроструктура углерода может принимать различные формы благодаря регулированию процесса:
Многослойная структура
Межламеллярное расстояние графита составляет около 0,335 нм, что как раз позволяет ионам лития интеркалироваться. Это делает его идеальным материалом для отрицательного электрода литиевых батарей. Скорость диффузии ионов лития может достигать 10-10 см²/с, что обеспечивает быструю зарядку и разрядку.
Пористая структура
После активационной обработки удельная площадь поверхности активированного угля достигает более 2000 м²/г. Благодаря трехмерной сети пор он может накапливать заряд в суперконденсаторах за счет эффекта двойного слоя, а плотность мощности может достигать 10 кВт/кг.
Наноструктуры
Одномерные/двумерные формы углеродных нанотрубок и графена обладают как высокой электропроводностью, так и механической прочностью. Поэтому они подходят для использования в качестве электродов в гибких электронных устройствах и адаптируются к сложным условиям работы, таким как изгиб.
Химические свойства Преимущества углерода в качестве электродов
Химическая стабильность
При нормальной температуре и давлении углерод почти не реагирует с растворами кислот, оснований и солей, поэтому он может сохранять структурную стабильность в сложных электрохимических средах. В электролизных камерах хлорно-щелочной промышленности углеродные электроды могут противостоять коррозии сильнощелочных электролитов. Даже при повышении температуры стабильность углерода сохраняется. Например, графит, незаменимый материал в высокотемпературном электролизе, имеет температуру плавления, которая в инертной атмосфере может достигать 3652℃.
Устойчивость к коррозии
Преимущество углерода в коррозионной стойкости особенно велико. Угольные электроды практически не подвергаются коррозии в нейтральных или щелочных электролитах и могут поддерживать стабильную электролитическую эффективность. Кроме того, в условиях сильной коррозии, например при химической очистке сточных вод, срок службы углеродных электродов намного больше, чем у металлических материалов. Это позволяет сократить расходы на обслуживание оборудования.
Каталитические характеристики
Некоторые углеродные материалы могут проявлять каталитическую активность после модификации. Например, после легирования такими элементами, как азот и бор, пористый углерод можно использовать в качестве катализатора реакции восстановления кислорода (ORR). И, как правило, их можно применять в топливных элементах. Функциональные группы на поверхности активированного угля могут способствовать реакции выделения водорода (HER) в электролизованной воде. Эта двойная функция "проводимость + катализ" позволяет углеродным электродам быть одновременно эффективными и экономичными в области преобразования энергии. Кроме того, это позволяет избежать необходимости добавлять дополнительные катализаторы из драгоценных металлов, таких как платина.
Стоимость и технологичность угольных электродов
Преимущество в стоимости
Источники углерода чрезвычайно многочисленны: уголь, нефтяной кокс и т.д. могут быть использованы в качестве сырья для углеродных электродов. При этом цены на них гораздо ниже, чем на металлы и редкие материалы. Кроме того, с помощью таких методов, как высокотемпературное прокаливание, карбонизация и активация, их можно производить массово. Поскольку процесс подготовки углеродных материалов уже отработан, затраты еще больше снижаются. Такая экономическая эффективность дает им абсолютное преимущество в крупномасштабном промышленном применении, например, в производстве свинцово-кислотных аккумуляторов и хлорно-щелочной промышленности.
Технологичность
Углеродные материалы можно гибко обрабатывать по мере необходимости:
Порошковое формование
Угольный порошок смешивается со связующим веществом и прокатывается для получения положительных и отрицательный электрод Листы литиевых батарей, толщина которых регулируется в пределах 50-150 мкм.
Ткачество
Трехмерные материалы, такие как углеродный войлок и углеродная ткань, имеют пористость 70%-80%. Это увеличивает площадь реакции и подходит для электролитических электродов воды.
Процесс нанесения покрытия
Углеродная суспензия наносится на металлические подложки (например, титановую сетку) для получения композитных электродов, обладающих электропроводностью и коррозионной стойкостью. Их можно использовать в гальванике.
Основные области применения угольных электродов
Энергетика и аккумуляторные батареи
В литиевых батареях можно использовать в качестве анода графит. Слоистая структура графита обеспечивает обратимую интеркаляцию ионов лития, а теоретическая удельная емкость составляет 372 мАч/г. Для повышения производительности были разработаны новые материалы, такие как твердый углерод и мягкий углерод, предназначенные для быстрой зарядки и работы при низких температурах.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Добавление углеродных материалов на положительный электрод свинцово-кислотных батарей в качестве проводящих агентов может улучшить их характеристики при разряде большим током. Благодаря преимуществу в стоимости они по-прежнему занимают важное место в таких областях, как запуск автомобилей и хранение энергии на электростанциях. Их плотность энергии составляет примерно 50-70 Вт-ч/кг, и они просты в обслуживании.
Суперконденсатор
Благодаря пористой структуре активированного угля его удельная поверхность превышает 2000 м²/г. Его плотность мощности достигает 10 кВт/кг (в 10 раз больше, чем у литиевых батарей), но плотность энергии низкая (5-10 Вт-ч/кг). Поэтому он подходит для сценариев с мгновенным высоким током, таких как быстрая зарядка автобусов и запуск строительной техники.
Электролизное поле
Электролиз воды
При щелочном электролизе воды для получения водорода скорость коррозии электродов из углеродного войлока в растворе KOH 30% составляет всего 0,001 мм/год. После загрузки катализатора эффективность электролиза превышает 80%. С развитием индустрии "зеленого" водорода применение электродов на основе углерода продолжает расширяться.
Электролизное производство алюминия
Электролиз алюминия необходимо проводить в расплавленной соли при температуре 950-980℃, и угольные аноды может работать стабильно. На производство одной тонны алюминия расходуется 500-600 килограммов углеродных анодов. Мировой годовой спрос превышает 30 миллионов тонн.
Хлор-щелочная промышленность
Графитовые аноды устойчивы к хлорной коррозии и экономически выгодны: их стоимость составляет всего 1/5 от стоимости титановых электродов. Поэтому их можно широко использовать в традиционных диафрагменных электролитических ячейках. Их каталитическая активность также позволяет снизить напряжение электролитической ячейки и сэкономить электроэнергию.
Гальваническое производство
В гальваническое покрытие В таких процессах, как хромирование, графитовые аноды обладают сильной коррозионной стойкостью в сильнокислых электролитах. Они могут поддерживать стабильный потенциал для обеспечения равномерного покрытия. Обладая хорошей электропроводностью и малым весом, гибкие угольные электроды стали предпочтительным выбором для портативных сценариев нанесения покрытия кистью.
Заключение
Основные преимущества использования углерода в качестве электрода обусловлены соответствием его физических и химических свойств требованиям промышленности. Он электропроводен, имеет разнообразные структуры, подходящие для хранения энергии, химически стабилен и устойчив к коррозии. А его стоимость и технологические преимущества способствуют широкомасштабному применению.
RU 
EN 
TR 
FR 
DE 
KO 
UK 
JA 
PT 
CEB 
AZ 
BN 
VI 
ES 
ES_ES 
ID 
IT 
ES_AR 
HI 
AR 
KK 
EL 
ZH