Чому вуглець використовується як електрод?

У сучасній техніці та промисловості вибір електродних матеріалів має життєво важливе значення. Від електролізної промисловості до систем зберігання енергії вуглецеві матеріали завжди займали ключову позицію серед електродних матеріалів. Але чому вуглець може виділятися серед численних матеріалів? Це невіддільне від його унікальних фізичних властивостей, хімічної стабільності, економічної переваги та широкого застосування.

Фізичні властивості Переваги вуглецю як електрода

Електропровідність

Графіт - це різновид алотропів вуглецю, який має типову шарувату структуру. Атоми вуглецю в кожному шарі гібридизовані в sp², утворюючи гексагональну площину. А електрони всередині шарів можуть вільно переміщатися, надаючи йому чудову електропровідність (до 10⁴ См/м). Ця характеристика робить вуглець ефективним середовищем для передачі електронів в електроді. Коли вуглець використовується як електрод акумулятора, він може швидко проводити електрони під час процесу заряджання і розряджання, зменшуючи втрати внутрішнього опору. В електролітичному елементі висока провідність може зменшити споживання енергії та підвищити ефективність реакції. Хоча електропровідність вуглецю дещо поступається електропровідності міді та алюмінію, він має більш комплексні переваги в таких сценаріях, як корозійна стійкість і легкість.

Низька щільність

Щільність вуглецю набагато нижча, ніж у металевих електродних матеріалів, і зазвичай становить від 1,5 до 2,3 г/см³. Ця особливість робить його незамінним у чутливих до ваги сферах, таких як акумулятори та портативні електронні пристрої. Використання вуглецевих матеріалів в якості негативного електрода може значно зменшити вагу батареї і збільшити її щільність енергії. Крім того, у високотехнологічних галузях, таких як аерокосмічна промисловість, легкість вуглецевих електродів може безпосередньо зменшити навантаження на обладнання та оптимізувати загальну продуктивність.

Структурна різноманітність

Мікроструктура вуглецю може набувати різних форм завдяки регулюванню процесу:

Шарувата структура

Міжламелярна відстань графіту становить близько 0,335 нм, що якраз дозволяє іонам літію інтеркалювати. Це робить його ідеальним матеріалом для негативного електрода літієвих батарей. Швидкість дифузії іонів літію може досягати 10^-10 см²/с, що забезпечує швидке заряджання та розряджання.

Пориста структура

Після активаційної обробки питома поверхня активованого вугілля досягає понад 2000 м²/г. Завдяки тривимірній мережі пор він може зберігати заряди в суперконденсаторах завдяки двошаровому ефекту, а щільність потужності може досягати 10 кВт/кг.

Наноструктура

Одновимірні/двовимірні форми вуглецевих нанотрубок і графену мають високу електропровідність і механічну міцність. Тому вони придатні для використання в якості електродів у гнучких електронних пристроях і пристосовані до складних умов роботи, таких як згинання.

Хімічні властивості Переваги вуглецю як електрода

Хімічна стабільність

При нормальній температурі і тиску вуглець майже не реагує з розчинами кислот, лугів або солей, тому він може зберігати структурну стабільність у складних електрохімічних середовищах. В електролізерах хлорно-лужної промисловості вуглецеві електроди можуть протистояти корозії сильно лужних електролітів. Навіть якщо температура підвищується, стабільність вуглецю залишається помітною. Наприклад, графіт, незамінний матеріал у високотемпературному електролізі, має температуру плавлення, яка може досягати 3652℃ в інертній атмосфері.

Стійкість до корозії

Особливо важливою перевагою вуглецю є його корозійна стійкість. Вугільні електроди майже не піддаються корозії в нейтральних або лужних електролітах і можуть підтримувати стабільну електролітичну ефективність. Крім того, у висококорозійних сценаріях, таких як хімічне очищення стічних вод, термін служби вугільних електродів набагато довший, ніж у металевих матеріалів. А отже, зменшуються витрати на обслуговування обладнання.

Каталітичні характеристики

Деякі вуглецеві матеріали можуть проявляти каталітичну активність після модифікації. Наприклад, після легування такими елементами, як азот і бор, можна використовувати пористий вуглець як каталізатор реакції відновлення кисню (ORR). І зазвичай їх можна застосовувати в паливних елементах. Функціональні групи на поверхні активованого вугілля можуть сприяти реакції виділення водню в електролізованій воді. Ця подвійна функція "провідність + каталіз" дозволяє вугільним електродам бути одночасно ефективними та економічними в галузі перетворення енергії. Крім того, це дозволяє уникнути витрат, пов'язаних з додаванням додаткових каталізаторів з дорогоцінних металів, таких як платина.

Вартість і технологічність вугільних електродів

Економічна перевага

Джерел вуглецю надзвичайно багато: вугілля, нафтовий кокс тощо можна використовувати як сировину для вугільних електродів. А ціни на них набагато нижчі, ніж на метали чи рідкісні матеріали. Крім того, за допомогою таких методів, як високотемпературне прожарювання, карбонізація та активація, їх можна виробляти масово. Оскільки процес підготовки вуглецевих матеріалів є відпрацьованим, витрати ще більше знижуються. Така економічна ефективність дає йому абсолютну перевагу у великомасштабних промислових застосуваннях, таких як свинцево-кислотні акумулятори та хлорно-лужна промисловість.

Технологічність

Вуглецеві матеріали можна гнучко обробляти за потреби:

Порошкове формування

Вугільний порошок змішується зі сполучною речовиною і прокочується для отримання позитивного і негативний електрод листи літієвих батарей, товщина яких регулюється в межах 50-150 мкм.

Волокнисте ткацтво

Тривимірні матеріали, такі як вуглецевий фетр і вуглецева тканина, мають пористість 70%-80%. Це збільшує площу реакції і підходить для електролітичних електродів для води.

Процес нанесення покриття

Вугільну суспензію наносять на металеві підкладки (наприклад, титанову сітку), щоб отримати композитні електроди з електропровідністю та корозійною стійкістю. Їх можна використовувати в галузі гальванотехніки.

Основні сфери застосування вугільних електродів

Енергетичні та акумуляторні поля

У літієвих батареях його можна використовувати як графітовий анод. Шарувата структура графіту дозволяє здійснювати оборотну інтеркаляцію іонів літію з теоретичною питомою ємністю 372 мАг/г. Для підвищення продуктивності були розроблені нові матеріали, такі як твердий вуглець і м'який вуглець для швидкого заряджання і низькотемпературних сценаріїв.

Свинцево-кислотні акумулятори

Додавання вуглецевих матеріалів до позитивного електрода свинцево-кислотних акумуляторів як провідників може покращити їхні характеристики розряду великим струмом. Завдяки перевазі в ціні, вони все ще займають важливе місце в таких сферах, як автомобільні стартерні системи та електростанції для зберігання енергії. Їх щільність енергії становить приблизно 50-70 Вт-год/кг, і вони прості в обслуговуванні.

Суперконденсатор

Завдяки пористій структурі активованого вугілля його питома поверхня перевищує 2000 м²/г. Його питома потужність досягає 10 кВт/кг (у 10 разів більше, ніж у літієвих батарей), але щільність енергії низька (5-10 Вт/кг). Тому він підходить для сценаріїв з миттєвим високим струмом, таких як швидка зарядка автобусів і запуск будівельної техніки.

Поле електролізу

Електроліз води

При лужному електролізі води для виробництва водню швидкість корозії фетрових електродів у розчині 30% KOH становить лише 0,001 мм/рік. Після завантаження каталізатора ефективність електролізу перевищує 80%. З розвитком індустрії зеленого водню застосування електродів на основі вуглецю продовжує розширюватися.

Виробництво електролізу алюмінію

Електроліз алюмінію потрібно проводити в розплавленій солі при температурі 950-980 ℃, і вугільні аноди може працювати стабільно. На виробництво однієї тонни алюмінію витрачається 500-600 кілограмів вугільних анодів. Світовий річний попит перевищує 30 мільйонів тонн.

Хлорно-лужна промисловість

Графітові аноди можуть протистояти хлорній корозії і є економічно вигідними, оскільки їхня вартість становить лише 1/5 від вартості титанових електродів. Тому їх можна широко використовувати в традиційних мембранних електролізерах. Їх каталітична активність також може знизити напругу електролітичної комірки і заощадити електроенергію.

Гальванічне поле

У гальванопластика У таких процесах, як хромування, графітові аноди мають сильну корозійну стійкість у сильно кислих електролітах. І вони можуть підтримувати стабільний потенціал для забезпечення рівномірного покриття. Маючи хорошу електропровідність і легку вагу, гнучкі вугільні електроди стали кращим вибором для портативних сценаріїв нанесення покриттів щіткою.

Висновок

Основні переваги використання вуглецю як електрода зумовлені відповідністю його фізико-хімічних властивостей промисловим потребам. Він є електропровідним і має різноманітні структури, придатні для зберігання енергії, хімічно стабільний і стійкий до корозії. А його вартість і технологічні переваги сприяють широкомасштабному застосуванню.