碳为什么用作电极？

在现代技术和工业中，电极材料的选择至关重要。从电解工业到储能系统，碳材料一直占据着电极材料的核心地位。但为什么碳能在众多材料中脱颖而出呢？这与其独特的物理特性、化学稳定性、成本优势和广泛的适用性密不可分。

物理特性 碳作为电极的优势

导电性

石墨是碳的一种同素异形体，具有典型的层状结构。每层中的碳原子在 sp² 内杂化，形成一个六边形平面。层内的电子可以自由移动，从而使石墨具有极佳的导电性（高达 10%）。⁴ S/m）。这一特性使碳成为电极中电子传输的高效介质。当碳用作电池电极时，它能在充放电过程中快速传导电子，减少内阻损耗。在电解池中，高导电性可以降低能耗，提高反应效率。虽然碳的导电性略逊于铜和铝，但在耐腐蚀、轻质等方面具有更全面的优势。

低密度

碳的密度比金属电极材料低得多，通常在 1.5 至 2.3 克/厘米之间。³.这一特性使其在动力电池和便携式电子设备等对重量敏感的领域变得不可或缺。使用碳材料作为负极可以显著减轻电池重量，提高能量密度。此外，在航空航天等高端领域，碳电极的轻质优势可直接减轻设备负荷，优化整体性能。

结构多样性

通过工艺调节，碳的微观结构可以呈现出各种形态：

分层结构

石墨的层间距离约为 0.335 纳米，正好允许锂离子插层。因此，石墨是锂电池负极的理想材料。锂离子的扩散速度可达 10^-10 厘米/秒，从而确保快速充放电。

多孔结构

经过活化处理后，活性炭的比表面积达到 2000 m²/g 以上。由于具有三维孔隙网络，它可以通过双层效应在超级电容器中存储电荷，功率密度可达 10 kW/kg。

纳米结构

一维/二维形式的碳纳米管和石墨烯具有高导电性和机械强度。因此，它们适合用作柔性电子设备的电极，并能适应弯曲等复杂的工作条件。

化学特性 碳作为电极的优势

化学稳定性

在常温常压下，碳几乎不会与酸、碱或盐溶液发生反应，因此在复杂的电化学环境中也能保持结构稳定。在氯碱工业的电解槽中，碳电极可以抵抗强碱性电解液的腐蚀。即使温度升高，碳的稳定性依然突出。例如，高温电解中不可或缺的材料石墨，其熔点在惰性气氛中可达 3652℃。

耐腐蚀性

碳的耐腐蚀性优势尤为显著。碳电极在中性或碱性电解质中几乎不会被腐蚀，并能保持稳定的电解效率。此外，在化学废水处理等高腐蚀性环境中，碳电极的使用寿命远远长于金属材料。进而降低设备维护成本。

催化性能

一些碳材料在经过改性后可以表现出催化活性。例如，在掺入氮和硼等元素后，多孔碳可用作氧还原反应（ORR）的催化剂。通常还可以应用于燃料电池。活性炭表面的官能团可以促进电解水中的氢进化反应（HER）。这种 "导电+催化 "的双重功能使碳电极在能源转换领域既高效又经济。同时，它还避免了额外添加铂等贵金属催化剂所带来的成本压力。

碳电极的成本和可加工性

成本优势

碳的来源极为丰富：煤、石油焦等都可用作碳电极的原材料。而且它们的价格远低于金属或稀有材料。此外，通过高温煅烧、碳化和活化等方法，它们可以大规模生产。由于碳材料的制备工艺成熟，成本进一步降低。这种经济效益使其在铅酸电池和氯碱工业等大规模工业应用中具有绝对优势。

可加工性

碳材料可根据需要灵活加工：

粉末成型

将碳粉与粘合剂混合后进行轧制，生产出正极和负极碳粉。 阴极 锂电池片，厚度可控制在 50-150μm 范围内。

纤维编织

碳毡和碳布等三维材料的孔隙率为 70%-80%。这增加了反应面积，适用于水的电解电极。

涂层工艺

在金属基材（如钛网）上涂覆碳浆，可制备出兼具导电性和耐腐蚀性的复合电极。您可以将其用于电镀领域。

碳电极的主要应用领域

能源和电池领域

在锂电池中，可以将其用作石墨负极。石墨的层状结构可实现锂离子的可逆插层，理论比容量为 372 mAh/g。为了提高性能，人们开发了硬碳和软碳等新材料，用于快速充电和低温情况。

铅酸电池

在铅酸蓄电池的正极中添加碳材料作为导电剂，可以提高其大电流放电性能。凭借成本优势，铅酸电池在汽车启动和储能电站等领域仍占有重要地位。其能量密度约为 50-70 Wh/kg，易于维护。

超级电容器

活性炭的多孔结构使其比表面积超过 2000 m²/g。其功率密度达到 10 kW/kg（是锂电池的 10 倍），但能量密度较低（5-10 Wh/kg）。因此，它适用于瞬时大电流的应用场合，如公共汽车的快速充电和建筑机械的启动。

电解领域

水电解

在碱性电解水制氢过程中，碳毡电极在 30% KOH 溶液中的腐蚀速度仅为 0.001 毫米/年。加载催化剂后，电解效率超过 80%。随着绿色制氢工业的发展，碳基电极的应用范围不断扩大。

电解铝生产

铝的电解需要在 950-980℃ 的熔盐中进行，以及 碳阳极 能稳定工作。生产一吨铝需要消耗 500-600 公斤碳阳极。全球年需求量超过 3000 万吨。

氯碱工业

石墨阳极可抗氯腐蚀，而且成本低廉，成本仅为钛电极的 1/5。因此可以广泛用于传统的隔膜电解槽。石墨阳极的催化活性还可以降低电解槽的电压，节约用电。

电镀领域

在 电镀 在镀铬等工艺中，石墨阳极在强酸性电解液中具有很强的耐腐蚀性。它们还能保持稳定的电位，确保镀层均匀。石墨阳极具有良好的导电性能，重量轻，柔韧性好。 碳电极 已成为电刷镀中便携式场景的首选。

结论

将碳用作电极的核心优势在于其物理和化学特性符合工业需求。碳具有导电性，结构多样，适合储能，化学性质稳定，耐腐蚀。其成本和加工优势也促进了大规模应用。