Графіт - анод чи катод?

У галузі електрохімії електродні матеріали є ключем до роботи батарей, електролітичних елементів та інших пристроїв. Графіт має особливу структуру і хімічні властивості, які дозволяють використовувати його як анод або катод. Дуже важливо дослідити перетворення його ролі та принцип застосування.

Графіт є анодом чи катодом?

Відповідь не є абсолютною, а залежить від конкретної електрохімічної системи, в якій він знаходиться. У різних середовищах батарей і елементів графіт може гнучко виконувати функції анода або катода відповідно до потреб реакції. Завдяки цій унікальній властивості графіт надзвичайно широко використовується в електрохімії, стаючи незамінною частиною багатьох електрохімічних пристроїв.

Графіт як анод

Поширені програми

Літій-іонні акумулятори

Літій-іонні акумулятори зараз широко використовуються в різних електронних пристроях та електромобілях, а графіт є найбільш популярним анодним матеріалом. У літій-іонних акумуляторах він забезпечує стабільну платформу для зберігання та передачі іонів літію. Наприклад, у щоденному використанні мобільних телефонів, акумуляторів для ноутбуків графітові аноди забезпечують ефективну зарядку та розрядку акумулятора. І це забезпечує стабільну підтримку живлення для довготривалої роботи пристрою.

Електроліз алюмінію

У процесі виплавки алюмінію електроліз алюмінію є ключовою ланкою, і графітові аноди відіграють тут центральну роль. Коли алюміній отримують електролітичним способом з розплавленої соляної системи глинозем-кріоліт, він є каналом для проведення електронів. А також є важливим учасником хімічної реакції. Щорічно таким чином виробляється велика кількість металевого алюмінію. А стабільне постачання та продуктивність графітових анодів безпосередньо впливають на розвиток алюмінієвої промисловості.

Принцип дії та механізм реакції

Під час заряджання іони літію видаляються з позитивного електрода. Потім вони вбудовуються в шарувату структуру графіту через електроліт, і відбувається реакція вбудовування. Процес розряду відбувається навпаки, іони літію з графіту повертаються до позитивного електроду. Для досягнення вивільнення електричної енергії. Цей процес входу-виходу повторюється, щоб завершити цикл заряду і розряду акумулятора.

В алюмінієвому електролітичному елементі основною реакцією, що відбувається на графітовому аноді, є реакція окислення іонів вуглецю та кисню. В процесі електролізу він поступово витрачається. Ось чому в процесі електролізу алюмінію анод необхідно регулярно замінювати.

Переваги

Висока теоретична питома потужність

Графіт має високу теоретичну питому ємність, в літій-іонних батареях його теоретична питома ємність може досягати 372 мАг/г. Це означає, що одиниця його маси може зберігати більше іонів літію. Таким чином, батарея має більш високу щільність енергії, щоб задовольнити потреби сучасного обладнання в тривалому терміні служби.

Хороша електропровідність

Хороша електропровідність дозволяє йому швидко проводити електрони і зменшувати внутрішній опір акумуляторів або електролітичних елементів. У літій-іонних акумуляторах це допомагає підвищити ефективність заряду і розряду та зменшити втрати енергії. В електролізі алюмінію він може забезпечити ефективний електролітичний процес.

Вартість відносно низька

Порівняно з деякими рідкісними або дорогими анодними матеріалами, він має відносно низьку вартість і багаті ресурси. Це робить його значною економічною перевагою у великомасштабному застосуванні. Будь то в літій-іонних акумуляторах у сфері побутової електроніки або в електролізі алюмінію у великому промисловому виробництві. Він може ефективно контролювати витрати.

Графіт як катод

Типові застосування

Часткові паливні елементи

У деяких паливних елементах, таких як паливні елементи з протонно-обмінною мембраною (PEMFC), ви можете широко використовувати його в катоді. В основному його можна використовувати для підготовки катодної пластини, яка відповідає за рівномірний розподіл реакційного газу. Це гарантує, що кисень може безперешкодно досягати місця реакції, і проводить електрони для сприяння електрохімічній реакції.

Деякі спеціальні електролітичні елементи

У деяких спеціальних електролітичних комірках графітовий катод може забезпечити специфічне реакційне середовище. Наприклад, ті, що використовуються для органічного синтезу, можуть сприяти реакції відновлення органічних сполук. Наприклад, в електросинтезі деяких лікарських проміжних продуктів графітові катоди відіграють ключову роль.

Принцип електрохімічної реакції на виробництві

На прикладі паливних елементів з протонно-обмінною мембраною реакція відновлення кисню відбувається на графітовому катоді. Електрони, що надходять із зовнішнього ланцюга, передаються кисню через графітовий катод. У той час як протони мігрують від анода до катода через протонообмінну мембрану і реагують з киснем і електронами, утворюючи воду. Таким чином відбувається перетворення хімічної енергії в електричну.

В електролізері органічного синтезу молекули органічних сполук на графітовому катоді отримують електрони. І відбувається реакція відновлення з утворенням цільового продукту. Конкретний механізм реакції варіюється залежно від органічних сполук та умов реакції. Але графітовий катод завжди забезпечує електрони для реакції і підтримує стабільність реакційного середовища.

Переваги

Хороша хімічна стійкість

Графіт має хорошу хімічну стабільність у більшості електролітних середовищ. Він може протистояти корозії електроліту, забезпечувати стабільну роботу катода в тривалому робочому процесі. І це продовжує термін служби батареї або електролітичного басейну.

Відмінна електропровідність

Як катод, хороша електропровідність залишається однією з його важливих переваг. Вона може забезпечити швидку передачу електронів, зробити електрохімічну реакцію безперебійною, підвищити швидкість і ефективність реакції.

Хороша технологічність

Його легко обробляти і формувати. А катодні частини різних форм і розмірів можуть бути підготовлені відповідно до різних вимог до конструкції батареї або електролітичного елемента. Наприклад, в паливні елементиви можете перетворити його на пластину зі складною структурою каналів потоку. Для задоволення потреб дифузії газу та електронної провідності.

Фактори, що впливають на властивості графітових електродів

Вплив чистоти та домішок графітового матеріалу

Чистота графітового матеріалу має значний вплив на його електродні характеристики. Високочистий графіт може зменшити побічні реакції, спричинені домішками. Наприклад, в літій-іонних акумуляторах, якщо графітовий анод містить металеві домішки, це може призвести до саморозряду акумулятора. І прискорити розпад ємності. Домішки також можуть змінювати його кристалічну структуру, перешкоджати введенню і вилученню іони літіюі знижують продуктивність акумулятора.

Зміни структури та властивостей графіту в процесі приготування

Різні процеси підготовки дають різні кристалічні структури та фізичні властивості графіту. Високотемпературне прожарювання може покращити кристалічність графіту та підвищити його електропровідність. Спеціальні процеси формування, такі як ізостатичне пресування, можуть зробити щільність графіту рівномірною, покращити механічну міцність та електрохімічні властивості. Оптимізуючи процес підготовки, властивості графіту можна регулювати відповідно до потреб різних сценаріїв застосування.

Склад електроліту та умови роботи

Склад електроліту змінює властивості поверхні розділу між графітовим електродом і електролітом. Відповідні добавки до електроліту можуть покращити структуру міжфазної мембрани, підвищити продуктивність заряду і розряду та термін служби електрода. Умови роботи, такі як температура і щільність струму, також мають важливий вплив на продуктивність графітових електродів. Занадто висока температура прискорює корозію і старіння графітового електрода. А надто велика щільність струму призведе до збільшення поляризації електрода і зниження продуктивності акумулятора або електролітичного елемента.

Висновок

Графіт відіграє роль як анода, так і катода в електрохімії. І ви можете широко використовувати його в акумуляторних батареях, електролізах та інших сценаріях. На його продуктивність впливає багато факторів. Вважається, що з постійним прогресом науки і техніки графіт і надалі відіграватиме важливу роль в галузі електрохімії.