مواد کامپوزیت الکترود جامدات چند جزئی مهندسی شده ای هستند که برای هدایت الکتریسیته و هدایت واکنش های الکتروشیمیایی در سطح مشترک بین یک هادی الکترونیکی و یک هادی یونی طراحی شده اند. برخلاف الکترودهای تک فاز، کامپوزیت ها یک داربست رسانا – معمولاً کربن – را با یک ماده فعال ترکیب می کنند که بار را ذخیره می کند یا یک واکنش را کاتالیز می کند، که همه توسط یک بایندر در کنار هم نگه داشته شده و توسط یک شبکه منفذی نفوذ می کند. چالش طراحی به حداکثر رساندن سه معیار عملکرد به طور همزمان است: هدایت الکتریکی، انتقال یونی، و سطح ویژه . یک الکترود کامپوزیتی با کارایی بالا در یک باتری لیتیوم یون، یک الکترولیز هیدروژن یا یک سلول جریان ردوکس با ساختاربندی مواد در مقیاس میکرون و زیر میکرون به این امر دست مییابد و اطمینان میدهد که الکترونها، یونها و مولکولهای واکنشدهنده همگی با حداقل مقاومت به مکانهای فعال میرسند. تقاضای فزاینده برای باتریهای شارژ سریع، هیدروژن سبز و حسگرهای الکتروشیمیایی کارآمد، فرمولبندی دقیق الکترودهای کامپوزیتی را به یکی از فعالترین حوزههای تحقیقات مواد تبدیل کرده است که مستقیماً انتخاب منبع کربن، مورفولوژی ذرات فعال و روش پردازش را با عملکرد نهایی دستگاه مرتبط میکند.
مواد کامپوزیت الکترود چیست و چه ویژگی هایی آنها را تعریف می کند؟
مواد کامپوزیت الکترود چیست؟ در سطح ساختاری؟ آنها حداقل از دو فاز کاربردی تشکیل شدهاند: یک رسانای الکترونیکی پیوسته که مسیری را برای رسیدن الکترونها به جمعکننده جریان ایجاد میکند، و یک فاز ماده فعال که در آن واکنش انتقال بار رخ میدهد. در بسیاری از طرح های عملی، فاز سوم بایندر پلیمری یکپارچگی مکانیکی را فراهم می کند و یک فاز منفذی کنترل شده به الکترولیت مایع اجازه می دهد تا کل ساختار را خیس کند. هدف خواص مواد الکترود کامپوزیت صرفاً میانگین وزنی اجزا نیستند. آنها از نحوه توزیع فازها بیرون می آیند. یک کامپوزیت خوب فرموله شده شبکه های نفوذی ایجاد می کند که در آن هر ذره فعال در چند میکرون مسیر رسانا و منافذ پر از الکترولیت قرار دارد. ویژگی های کلیدی قابل اندازه گیری شامل رسانایی الکترونیکی است (اغلب در بالا مورد هدف قرار می گیرد 1 S/cm برای الکترودهای با سرعت بالا)، پیچ خوردگی یونی (کمتر بهتر است، زیرا طول مسیر انتشار را کاهش می دهد)، سطح ویژه قابل دسترسی به الکترولیت، و چسبندگی مکانیکی به کلکتور جریان. تعادل بین این ویژگی ها تعیین می کند که آیا یک الکترود می تواند توان بالا، ظرفیت بالا یا عمر چرخه طولانی را ارائه دهد.
پردازش به اندازه ترکیب نقش مهمی دارد. همان گرافیت و پودر فسفات آهن لیتیوم بسته به ترتیب اختلاط، انتخاب حلال و فشار کلندری می تواند یک الکترود کند یا یک الکترود با سرعت بالا تولید کند. کلندرینگ بیش از حد تخلخل را از بین می برد و تماس الکترونیکی را بهبود می بخشد، اما حمل و نقل یونی را خفه می کند، در حالی که کلندرینگ ناکافی باعث می شود شبکه الکترونیکی اتصال ضعیفی داشته باشد. مطالعه از مواد الکتروشیمیایی بنابراین نه تنها شیمی بلکه زنجیره کامل تولید از فرمولاسیون دوغاب تا معماری الکترود نهایی را در بر می گیرد.
مواد الکترود مبتنی بر کربن: گرافیت، فیبر کربن و نقش آنها
کربن ستون فقرات اکثر الکترودهای کامپوزیت است زیرا رسانا، از نظر شیمیایی پایدار است و در طیف وسیعی از مورفولوژی ها موجود است. مواد الکترود مبتنی بر کربن به چندین دسته تقسیم می شوند که هر کدام برای وظایف الکتروشیمیایی متفاوتی مناسب هستند. اسب کار کاربرد مواد الکترود گرافیتی گستره ای از آند باتری های لیتیوم یونی، جایی که گرافیت یون های لیتیوم را با ظرفیت مشخصی از بین می برد. 372 میلی آمپر بر گرم به الکترودهای با فرمت بزرگ برای کوره های قوس الکتریکی در فولادسازی، که در آن مقاومت شوک حرارتی و هدایت گرافیت در دماهای شدید ضروری است. در کامپوزیت ها، پودر گرافیت یک افزودنی رسانای پوسته مانند ایجاد می کند که تحت فشار کالندر می لغزد تا تماس های بین ذرات خوبی ایجاد کند. گرافیت مصنوعی خلوص بالاتری نسبت به پوسته طبیعی ارائه میدهد، که در کاربردهای باتری که ناخالصیهای فلزی میتوانند باعث اتصال کوتاه داخلی شوند، حیاتی است.
مواد الکترود فیبر کربن تقویت مکانیکی و یک مسیر رسانای یک بعدی را به طرح های الکترود بیاورید. فیبرهای کربن خرد شده مخلوط شده در یک الکترود کامپوزیت، بزرگراه های الکترونی دوربرد ایجاد می کنند که آستانه نفوذ کلی را کاهش می دهد. این به ویژه در الکترودهای ضخیم، که در آن یک شبکه کاملاً نقطهای از کربن سیاه در طولهای مقیاس میلیمتری مقاومت میکند، ارزشمند است. فیبرهای کربن نیز به عنوان بسترهای الکترود مستقل استفاده می شوند: کاربردهای الکترود نمدی کربن الکترودهای موجود در باتریهای جریان ردوکس وانادیوم را شامل میشود، جایی که یک نمد کربن متخلخل با سطح بالا، مکانهایی را برای واکنشهای ردوکس وانادیوم در حالی که الکترونها را به صفحه دوقطبی هدایت میکند، فراهم میکند. این نمدها معمولاً با عملیات حرارتی یا اسیدی فعال می شوند تا گروه های عاملی اکسیژن را معرفی کنند که انتقال بار را کاتالیز می کنند. تخلخل، قطر فیبر و شیمی سطح نمد به طور مستقیم چگالی توان و کارایی باتری جریان را کنترل می کند.
مواد الکترود رسانا و اهمیت معماری متخلخل
A مواد الکترود رسانا شبکه باید به طور همزمان الکترون ها را حمل کند و اجازه نفوذ الکترولیت را بدهد. کربن سیاه (معمولا سیاه استیلن یا کتژن بلک) پرکاربردترین افزودنی رسانا در باتری و الکترودهای ابرخازن است. ذرات اولیه آن به ترتیب هستند 20-50 نانومتر ، تشکیل سنگدانه های فراکتالی که یک شبکه رسانای زنجیره ای را در بارهای کمتر از 2 تا 5 درصد وزنی ایجاد می کند. با این حال، کربن سیاه به تنهایی در الکترودهای ضخیم یا با نرخ بالا کافی نیست، به همین دلیل است که فرمولهای کامپوزیتی اغلب آن را با تکههای گرافیت بزرگتر یا الیاف کربن ترکیب میکنند تا رسانایی را در مقیاسهای طول چندگانه ایجاد کنند.
مواد الکترود متخلخل ضروری هستند زیرا واکنش الکترود در سطح مشترک جامد و مایع رخ می دهد. یک الکترود غیر متخلخل واکنش را به سطح هندسی خود محدود می کند، در حالی که یک الکترود متخلخل با سطح خاصی از 100-1000 متر مربع در گرم منطقه واکنش را در سراسر حجم آن گسترش می دهد. توزیع اندازه منافذ باید کنترل شود: درشت منافذ (بیش از 50 نانومتر) به عنوان مخزن الکترولیت عمل می کنند، مزوپورها (2 تا 50 نانومتر) انتقال یون را تسهیل می کنند و ریز منافذ (<2 نانومتر) می توانند ذخیره بار اضافی را در ابرخازن ها از طریق ظرفیت دو لایه الکتریکی فراهم کنند. در یک الکترود کامپوزیت، ساختار منافذ تا حد زیادی توسط بسته بندی ذرات اولیه و مقدار بایندر تعیین می شود، و مرحله نهایی کلندرینگ تنظیم دقیق را فراهم می کند. تخلخل الکترود معمولاً از 30% تا 50% برای الکترودهای باتری، تعادل حمل و نقل یونی با چگالی انرژی حجمی.
مواد الکترود برای باتری ها: رویکرد ترکیبی برای عملکرد بالاتر
فرمولاسیون از مواد الکترود برای باتری ها مهم ترین کاربرد تجاری فناوری الکترود کامپوزیت است. در یک کاتد باتری لیتیوم یون، یک الکترود کامپوزیت مواد فعال - مانند NMC (لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت) یا LFP (لیتیوم آهن فسفات) - را با یک افزودنی رسانای کربن و یک چسب PVDF، که روی یک کلکتور جریان آلومینیوم پوشانده شده است، مخلوط می کند. نسبت ماده فعال، که به عنوان بارگذاری الکترود شناخته می شود، مستقیماً چگالی انرژی سلول را تعیین می کند، در حالی که نسبت افزودنی رسانا و تخلخل حاصل، قابلیت توان را تعیین می کند. یک سلول پر انرژی ممکن است استفاده کند 96-98 درصد وزنی مواد فعال با حداقل کربن و تخلخل کم، در حالی که یک سلول پرقدرت بار فعال را به 90-92 درصد وزنی کاهش می دهد و برای کاهش مقاومت داخلی، هم محتوای کربن و هم تخلخل را افزایش می دهد.
آندهای مبتنی بر سیلیکون نشان میدهند که چرا طراحی کامپوزیت حیاتی است. سیلیکون ظرفیت تئوری را ارائه می دهد 3579 میلی آمپر بر گرم ، تقریباً ده برابر گرافیت است، اما انبساط حجمی تا 300% در طول لیتیاسیون یک الکترود سیلیکونی خالص ظرف چند سیکل پودر می شود. محلول کامپوزیت نانوذرات سیلیکونی را درون یک ماتریس کربن قرار میدهد که با حفظ تماس الکتریکی، انبساط را در خود جای میدهد. این کامپوزیت کربن-سیلیکون یکی از فشرده ترین تحقیقات است مواد کامپوزیت الکترود و سلول های تجاری اکنون به طور معمول درصد کمی از اکسید سیلیکون را با آندهای گرافیت ترکیب می کنند تا ظرفیت را افزایش دهند و در عین حال عمر چرخه را حفظ کنند. باتریهای حالت جامد لایه دیگری از پیچیدگی کامپوزیت را اضافه میکنند: الکترود باید یک پودر الکترولیت جامد را در کنار ماده فعال و کربن رسانا ترکیب کند و یک کامپوزیت سه فاز ایجاد کند که در آن الکترولیت جامد جایگزین الکترولیت مایع به عنوان رسانای یونی میشود.
مواد الکترود برای تولید هیدروژن و کاربردهای الکتروشیمیایی در حال ظهور
مواد الکترود برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب مجموعه متفاوتی از چالش های طراحی کامپوزیت را نشان می دهد. در الکترولیز غشای تبادل پروتون (PEM)، لایه کاتالیزور آندی ترکیبی از نانوذرات اکسید ایریدیوم و یک آینومر رسانای پروتون است که روی یک لایه انتقال تیتانیوم متخلخل پوشانده شده است. کاتالیزور، آینومر و شبکه منفذی باید برای ارائه چگالی جریان بالا بهینه شوند. 2-3 A/cm² - برای تولید اقتصادی هیدروژن سبز مورد نیاز است. کامپوزیت همچنین باید در محیط بسیار اکسیداتیو تکامل اکسیژن در پتانسیل های بالای 1.5 ولت در مقابل الکترود هیدروژن برگشت پذیر زنده بماند. کربن به طور کلی در سمت آند اجتناب می شود زیرا در این پتانسیل ها خورده می شود، بنابراین کامپوزیت برای یکپارچگی ساختاری به یونومر و خود کاتالیزور اکسید فلز متکی است.
در الکترولیزهای قلیایی و سیستم های غشایی تبادل آنیونی در حال ظهور، مواد الکتروشیمیایی بر اساس فلزات غیر گرانبها زنده می شوند. کامپوزیتهای نیکل-آهن یا نیکل-مولیبدن که بر روی یک بستر نیکل متخلخل رسوب میکنند، الکترودهای کارآمد و کمهزینه را برای تکامل هیدروژن و اکسیژن تشکیل میدهند. ساختار کامپوزیت سطح فعال را افزایش می دهد و ناحیه واکنش سه بعدی را فراهم می کند. فراتر از الکترولیز، کاربردهای الکترود نمدی کربن به حسگرهای الکتروشیمیایی، یون زدایی خازنی برای نمک زدایی آب و سلول های سوختی میکروبی گسترش می یابد. در هر مورد، الکترود کامپوزیت ترکیبی از کربن، کاتالیزور، بایندر و ساختار منفذی را به دستگاهی تبدیل میکند که عملکرد الکتروشیمیایی خاصی را با کارایی و دوام انجام میدهد. همگرایی مداوم علم مواد، کنترل فرآیند تولید و مهندسی الکتروشیمیایی همچنان الکترودهای کامپوزیت را به سمت عملکرد بالاتر، هزینه کمتر و کاربردهای جدید سوق میدهد.
