Кіріспе
Электрлік өткізгіш схеманың металл емес бөліктерімен байланыс жасау үшін қолданылады. Электрод – схеманың металл емес бөлігімен (мысалы, жартылай өткізгіш, электролит, вакуум немесе ауа) байланыс жасауға арналған электрлік өткізгіш. Электродтар батареялардың маңызды бөліктері болып табылады және олар батарея түріне қарай әртүрлі материалдардан жасалуы мүмкін. Йохан Вилке ойлап тапқан электрофор – статикалық электрді зерттеу үшін қолданылған электродтың ерте нұсқасы болды.
the Pokémon
An electrode is an electrical conductor used to make contact with a nonmetallic part of a circuit (e. g. a semiconductor, an electrolyte, a vacuum or air). Electrodes are essential parts of batteries that can consist of a variety of materials depending on the type of battery. The electrophore, invented by Johan Wilcke, was an early version of an electrode used to study static electricity.
Электрохимиялық элементтердегі анодтар мен катодтар
Электродтар кез келген батареяның маңызды бөлігі болып табылады. Алғашқы электрохимиялық батареяны Алессандро Вольта ойлап тапты және оған Вольта батареясы деп ат қойылды. Бұл батарея мыс және мырыш электродтарынан тұратын, оларды тұзды суға малынған қағаз дискілер бөліп тұратын қабаттан құралды. Вольта батареясының кернеуіндегі ауытқулардың салдарынан, ол өте тиімді болған жоқ. Алғашқы тиімді батарея 1839 жылы Джон Фредерик Дэниеллдің құрметіне Даниелл батареясы деп аталды. Ол әлі де мырыш-мыс электрод комбинациясын пайдаланды. Содан бері әртүрлі материалдардан көптеген батареялар жасалды. Олардың барлығының негізінде әлі де екі электрод – анодтар мен катодтар қолданылады.
Анод
"Анод" терминін Уильям Уивелл Майкл Фарадейдің өтініші бойынша грек тіліндегі ἄνο (ано) – "жоғары", және ὁδός (hodós) – "жол" сөздерінен туындатқан. Анод – электрхимиялық элементтің (батареяның) электр тізбегінен электр тогының металл емес ортаға кіретін электроды. Электрондар содан кейін батареяның екінші жағына ағылады. Бенджамин Франклин электр ағынының оң полюстен теріс полюске қарай қозғалатынын болжаған. Электрондар анодтан алыстап, ал дәстүрлі ток анодқа қарай ағылады. Осы екеуінен анодтың заряды теріс деген қорытынды жасауға болады. Анодқа кіретін электрон, оның жанында жүзеге асатын тотығу реакциясынан пайда болады.
Катод
Катод көп жағдайда анодтың қарама-қарсысы болып табылады. Атауы (Уивелл ұсынған) грек сөздерінен – κάτω (kato), 'төменге' және ὁδός (hodós), 'жол' – шыққан. Бұл оң электрод, яғни электрондар электр тізбегінен катод арқылы электрохимиялық жасушаның металл емес бөлігіне ағып келеді. Катодта электрондар сым арқылы жеткізіліп, тотықтырғыш заттарға сіңірілетін тотығу реакциясы жүзеге асады.
Екіншілік ұяшық
Бастапқы элементтен өзгеше, екіншілік элементті қайта зарядтауға болады. Алғашқысы – 1859 жылы француз физигі Гастон Планте ойлап тапқан қорғасын-қышқыл аккумуляторы. Бұл типтегі аккумулятор әлі күнге дейін, мысалы, автомобильдерде ең көп қолданылады. Катод қорғасын диоксидінен (PbO2) және анод қатты қорғасыннан тұрады. Басқа кең таралған қайта зарядталатын аккумуляторлар – никель-кадмий, никель-металл гидриді және литий-ионды аккумуляторлар. Соңғысы маңыздылығына байланысты осы мақалада толыққанды түсіндіріледі.
Тиімділік
Электродтардың физикалық қасиеттері негізінен электрод материалымен және электрод топологиясымен анықталады. Қажетті қасиеттер қолданылуына байланысты, сондықтан айналымда көптеген электрод түрлері бар. Материалдың электрод ретінде қолданылуын анықтайтын негізгі қасиет – оның тоқ өткізгіштігі. Сондықтан, металдар, жартылай өткізгіштер, графит немесе тоқ өткізгіш полимерлер сияқты кез келген тоқ өткізгіш материалды электрод ретінде пайдалануға болады. Көбінесе электродтар әрқайсысы белгілі бір міндет атқаратын материалдардың комбинациясынан тұрады. Типтік құрамдас бөліктері: тотығу немесе тотықсыздану процесіне қатысатын белсенді материалдар, электродтың тоқ өткізгіштігін жақсартатын тоқ өткізгіш заттар және электродтың ішінде белсенді бөлшектерді ұстап тұруға арналған байланыстырғыш заттар. Электрохимиялық элементтердің тиімділігі бірқатар қасиеттерге сәйкес бағаланады, маңызды шамалар – өзін-өзі разрядтау уақыты, разряд кернеуі және циклдық өнімділік. Электродтардың физикалық қасиеттері осы шамаларды анықтауда маңызды рөл атқарады. Электродтардың маңызды қасиеттері: электрлік кедергі, нақты жылу сыйымдылығы (c p), электрод потенциалы және қаттылық. Әрине, технологиялық қолданыстар үшін материалдың құны да маңызды фактор болып табылады. Кейбір жиі қолданылатын материалдардың бөлме температурасындағы (T = 293 K) осы қасиеттерінің мәндері төмендегі кестеде көрсетілген. + Электродтың негізгі қасиеттері Қасиеттер Литий (Li) Марганец (Mn) Мыс (Cu) Цинк (Zn) Графит Кедергі (Ωm) 8.40e 8 1.44e 6 1.70e 8 5.92e 8 6.00e 6 Электрод потенциалы (V) 3.02 1.05 0.340 0.760 Қаттылық (HV) <5 500 50 30 7 11 Нақты жылу сыйымдылығы (J/(gK)) 2.997 0.448 0.385 0.3898 0.707
Жер бетіндегі әсерлері
Электродтың беткей топологиясы электродтың тиімділігін анықтауда маңызды рөл атқарады. Байланыс кедергісі электродтың тиімділігін төмендетуі мүмкін. Сондықтан тиімді электродты жасау үшін, оны контактілік кедергіні азайтуға бағытталған етіп жобалау қажет.
Электродтың құрылымы
Электродтың құрамдас бөліктерін таңдағанда, соңғы тиімділік электродтың ішкі құрылымымен анықталады. Электродтың өнімділігін анықтау үшін ішкі құрылымындағы маңызды факторлар: белсенді материал мен өткізгіш агенттің кластерленуі. Сорт-сұйықтың барлық компоненттері өз міндеттерін орындауы үшін олардың барлығы электродада біркелкі орналасуы керек. Өткізгіш агенттің белсенді материалға теңдей таралуы. Бұл электродтың өткізгіштігінің оңтайлы болуын қамтамасыз етеді. Электродтың ток жинағыштарға жабысуы. Электродтың электролитке ерімеуін қамтамасыз ететін жабысу. Белсенді материалдың тығыздығы. Белсенді материалдың, өткізгіштің және байлаушының мөлшерін теңестіру қажет. Белсенді материал электродтың маңызды факторы болғандықтан, сорт-сұйық өткізгіш агент пен байлаушы дұрыс жұмыс істемейтіндей етіп, белсенді материалдың тығыздығы мүмкіндігінше жоғары болуы үшін жобалануы керек. Бұл қасиеттер электродтарды өндіруде әртүрлі жолдармен әсер етуі мүмкін. Электродтарды өндірудің ең маңызды қадамы – электродты тұнбалау. Жоғарыда көрсетілгендей, электродтың маңызды қасиеттерінің барлығы электродтың құрамдас бөліктерінің біркелкі таралуына байланысты. Сондықтан электродтың сорт-сұйығы мүмкіндігінше біртекті болуы өте маңызды. Бұл араластыру кезеңін жақсарту үшін бірнеше процедуралар әзірленді және қазіргі зерттеулер әлі де жүргізілуде. Сонымен қатар, литий-ионды аккумуляторы – қайта зарядталатындықтан екінші типтегі элементтің мысалы. Ол гальваникалық немесе электролиттік элемент ретінде жұмыс істей алады. Литий-ионды аккумуляторлар электролиттегі ерітінді ретінде органикалық еріткіште еріген литий иондарын пайдаланады. Литий электродтарын алғаш рет Гилберт Н. Льюис пен Фредерик Г. Киес 1913 жылы зерттеді. Келесі ғасырда бұл электродтар алғашқы литий-ионды аккумуляторларды жасау және зерттеу үшін қолданылды. Литий-ионды аккумуляторлар өте жақсы өнімділігімен танымал. Олар ұялы телефондар мен электрлік көліктер сияқты қолданыстарда қолданылады. Олардың танымалдығына байланысты литий-ионды аккумуляторлардың құнын төмендету және қауіпсіздігін арттыру бойынша көптеген зерттеулер жүргізілуде. Литий-ионды аккумуляторлардың ажырамас бөлігі – олардың анодтары мен катодтары, сондықтан осы электродтардың тиімділігін арттыру, қауіпсіздігін қамтамасыз ету және құнын төмендету бойынша көптеген зерттеулер жүргізілуде.
Clustering of the active material and the conductive agent. In order for all the components of the slurry to perform their task, they should all be spread out evenly within the electrode. An even distribution of the conductive agent over the active material. This makes sure that the conductivity of the electrode is optimal. The adherence of the electrode to the current collectors. The adherence makes sure that the electrode does not dissolve into the electrolyte. The density of the active material. A balance should be found between the amount of active material, the conductive agent and the binder. Since the active material is the important factor in the electrode, the slurry should be designed such that the density of the active material is as high as possible, without the conductive agent and the binder not functioning properly. These properties can be influenced in the production of the electrodes in a number of manners. The most important step in the manufacturing of the electrodes is creating the electrode slurry. As can be seen above, the important properties of the electrode all have to do with the even distribution of the components of the electrode. Therefore, it is very important that the electrode slurry be as homogeneous as possible. Multiple procedures have been developed to improve this mixing stage and current research is still being done.]] Furthermore, a Li ion battery is an example of a secondary cell since it is rechargeable. It can both act as a galvanic or electrolytic cell. Li ion batteries use lithium ions as the solute in the electrolyte which are dissolved in an organic solvent. Lithium electrodes were first studied by Gilbert N. Lewis and Frederick G. Keyes in 1913. In the following century these electrodes were used to create and study the first Li ion batteries. Li ion batteries are very popular due to their great performance. Applications include mobile phones and electric cars. Due to their popularity, much research is being done to reduce the cost and increase the safety of Li ion batteries. An integral part of the Li ion batteries are their anodes and cathodes, therefore much research is being done into increasing the efficiency, safety and reducing the costs of these electrodes specifically.
Катодтар
Литий-ионды батареяларда катод интеркаляцияланған литий қосылысынан тұрады (литий және басқа элементтерден тұратын молекулалардың қабаттарынан тұратын қабатты материал). Қосындыдағы молекулалардың бір бөлігін құрайтын жиі кездесетін элемент – кобальт. Тағы бір көп қолданылатын элемент – марганец. Қосындыны таңдау көбінесе батареяның қолданылуына байланысты. Кобальт негізіндегі қосылыстардың марганец негізіндегі қосылыстарға қарағанда артықшылықтары – жоғары меншікті жылу сыйымдылығы, жоғары көлемдік жылу сыйымдылығы, төмен өзіндік разряд жылдамдығы, жоғары разряд кернеуі және жоғары циклдық беріктігі. Дегенмен, кобальт негізіндегі қосылыстарды қолданудың кемшіліктері де бар, мысалы, олардың жоғары құны және төмен термотұрақтылығы. Марганецте де ұқсас артықшылықтар бар және оның құны төмен, бірақ марганецті пайдаланумен байланысты кейбір мәселелер бар. Басты мәселе – марганец уақыт өте келе электролитке еріп кетуі. Осы себепті кобальт литий қосылыстарында ең көп қолданылатын элемент болып табылады. Бірақ, бұл дендриттердің өсуіне байланысты мәселелер тудырады, соның салдарынан батарея қысқа тұйықталып, қауіпсіздік қатері туындайды. Li4Ti5O12 тұрақтылығы мен жақсы жылдамдық қабілетіне байланысты анодтар нарығында екінші орында тұр, бірақ сыйымдылығы төмен. 2000-жылдардың басында кремний анодына қатысты зерттеулер қарқынды жүріп, болашақ литий-ионды батарея аноды үшін онжылдықтың ең перспективті үміткеріне айналды. Алайда кремний анодтары литиялау кезінде шамамен 360% көлемдік кеңею мәселесіне тап болады. Бұл кеңею анодты ұнтақтап, оның жұмыс істеуін нашарлатады. Бұл мәселені шешу үшін ғалымдар кремнийдің өлшемдерін өзгертуге тырысты. Кремний наносымдары, кремний түтікшелері және кремний қабаттары бойынша көптеген зерттеулер жүргізілді. Сонымен қатар, анод ретінде металл литийді де қолдануға болады. Оның кремнийге қарағанда жоғары нақты сыйымдылығы бар, бірақ өте тұрақсыз металл литиймен жұмыс істеудің қиындығы бар. Графит анодтарына ұқсас, металл литийдің де маңызды шектеуі – дендриттердің түзілуі, ал қатты электролит интерфейсі дизайн үшін үлкен қиындық тудырады. Егер тұрақтандырылса, металл литий ең жеңіл, бірақ ең көп зарядты сақтай алатын батареяны жасауға мүмкіндік береді. Дегенмен, электродтардың механикалық қасиеттерінің маңыздылығы ортадағы соқтығыстарға төзімділіктен де асып түседі. Стандартты жұмыс кезінде иондардың электродтарға енуі көлемнің өзгеруіне әкеледі. Литий-ионды батареялардағы кремний электродының литиялау кезінде шамамен 300% кеңеюі осыған жақсы мысал. Мұндай өзгерістер тордың деформациялануына және материалдың кернеуіне әкелуі мүмкін. Кернеулердің пайда болуы электродтағы геометриялық шектеулерге немесе иондардың біртекті емес жабынуына байланысты болуы мүмкін. Бұл құбылыс электродтың сынуына және өнімділіктің төмендеуіне әкелуі мүмкін болғандықтан алаңдатады. Сондықтан, ұзақ қызмет ететін батареялар үшін жаңа электродтарды әзірлеу үшін механикалық қасиеттер өте маңызды. Электродтардың механикалық мінез-құлқын өлшеудің бір жолы – наноиндентация. Бұл әдіс электрохимиялық реакциялар кезінде кернеудің қалай өзгеретінін талдауға мүмкіндік береді және механикалық мінез-құлық пен электрохимияны байланыстырудың ықтимал жолдарын бағалаудағы құнды құрал болып табылады. Кернеулер электродтың морфологиясына ғана әсер етпейді, сонымен қатар электрохимиялық реакцияларға да әсер етеді. Химиялық қозғаушы күштер көбінесе механикалық энергиядан жоғары болғанымен, литий-ионды батареялар үшін бұл дұрыс емес. Доктор Ларше жүргізген зерттеуде қолданылатын кернеу мен электродтың химиялық потенциалы арасында тікелей байланыс бар екені анықталды. Ол эластикалық шектеулердің өзгеруі сияқты көптеген айнымалыларды ескермегенмен, стрестен туындаған эластикалық энергияны жалпы химиялық потенциалдан алып тастады. Бұл теңдеуде μ химиялық потенциалды білдіреді, ал μ° оның анықтамалық мәні. T температураны, ал k – Больцман тұрақтысын білдіреді. Логарифмнің ішіндегі γ белсенділікті, ал x – ионның электродтың жалпы құрамына қатынасын көрсетеді. Жаңа термин Ω – ионның хост матрицасындағы ішінара молярлық көлемі, ал σ – жүйе сезінетін орташа кернеуге сәйкес келеді. Бұл теңдеудің нәтижесінде химиялық потенциалға тәуелді диффузия стрестен әсер етуі және осылайша батареяның өнімділігін өзгертуі мүмкін. Сонымен қатар, механикалық кернеулер электродтың қатты электролит интерфейсіне де әсер етуі мүмкін.
Қалған анодтар мен катодтар
Полярлылығы бар вакуумдық түтікшеде немесе жартылай өткізгіште (диодтар, электролиттік конденсаторлар) анод оң (+) электрод, ал катод теріс (-) электрод болып табылады. Электрондар құрылғыға катод арқылы кіріп, анод арқылы шығады. Көптеген құрылғыларда жұмысын басқару үшін басқа электродтар да болады, мысалы, база, қақпа, басқару торы. Үш электродты жасушада қарсы электрод, сондай-ақ қосалқы электрод деп те аталады, жұмыс істеп тұрған электродқа ток беру үшін электролитке қосылу үшін ғана қолданылады. Қарсы электрод әдетте, асыл металл немесе графит сияқты инертті материалдан жасалады, осылайша оның еріп кетуіне жол берілмейді.
Дәнекерлеу электродтары
Аркалық дәнекерлеуде екі бөлікті біріктіру үшін электрод жұмыс дайындамасы арқылы ток өткізуге қолданылады. Дәнекерлеу процесіне байланысты электрод газ металл аркалық дәнекерлеу немесе қорғалған металл аркалық дәнекерлеуде тұтылатын, ал газ вольфрам аркалық дәнекерлеу сияқты жағдайларда тұтылмайтын болады. Тұрақты ток жүйесінде дәнекерлеу таяқшасы немесе электродты толтыру түріндегі дәнекерлеу үшін катод, ал басқа дәнекерлеу процестері үшін анод ретінде қарастырылуы мүмкін. Көкейкес токпен дәнекерлеуде дәнекерлеу электроды анод немесе катод деп есептелмейді.
Қалмалы ток электроды
Қалмалы токты қолданатын электр жүйелерінде электродтар – электр тогының әсер ететін нысанға схемадан қосылатын жерлер, бірақ электрон ағынының бағыты үнемі өзгеретіндіктен, олар анод немесе катод деп белгіленбейді. Бұл өзгеріс әдетте секундына көп рет болады.
Химиялық жолмен өзгертілген электродтар
Химиялық түрлендірілген электродтар – электродтың физикалық, химиялық, электрохимиялық, оптикалық, электрлік және тасымалдау қасиеттерін өзгерту мақсатымен олардың беті химиялық түрлендірілген электродтар. Бұл электродтар зерттеу және тәжірибе жүргізуде кеңінен қолданылады.