Electrodo

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Un electrodo es un conductor eléctrico que se utiliza para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito (por ejemplo, un semiconductor, un electrolito, un vacío o aire). Los electrodos son partes esenciales de las baterías que pueden constar de una variedad de materiales según el tipo de batería.

El electróforo, inventado por Johan Wilcke, fue una versión temprana de un electrodo utilizado para estudiar la electricidad estática.

Ánodo y cátodo en celdas electroquímicas

Los electrodos son una parte esencial de cualquier batería. La primera batería electroquímica que se fabricó fue ideada por Alessandro Volta y recibió el acertado nombre de celda voltaica. Esta batería consistía en una pila de electrodos de cobre y zinc separados por discos de papel empapados en salmuera. Debido a la fluctuación en el voltaje provisto por la celda voltaica, no era muy práctico. La primera batería práctica se inventó en 1839 y se denominó celda Daniell en honor a John Frederic Daniell. Todavía haciendo uso de la combinación de electrodos de zinc y cobre. Desde entonces, se han desarrollado muchas más baterías utilizando diversos materiales (consulte la Lista de baterías). La base de todo esto sigue siendo el uso de dos electrodos que se pueden dividir en dos categorías: ánodos y cátodos.

Ánodo

Término acuñado por William Whewell a petición de Faraday, derivado de las palabras griegas ἄνο (ano) δος, 'hacia arriba' y ὁδός (hodós), 'un camino'. El Ánodo es el electrodo a través del cual ingresa la corriente convencional desde el circuito eléctrico de una celda electroquímica (batería) hacia el interior de la celda no metálica. Luego, los electrones fluyen hacia el otro lado de la batería. Tenga en cuenta la diferencia en el flujo de corriente y el flujo de electrones, esto se debe al descubrimiento del flujo de corriente antes del descubrimiento del electrón. Benjamin Franklin supuso que el flujo eléctrico se movía de positivo a negativo.Los electrones fluyen alejándose del ánodo y la corriente convencional hacia él. De ambos se puede concluir que la carga del ánodo es negativa. El electrón que ingresa al ánodo proviene de la reacción de oxidación que tiene lugar junto a él.

Cátodo

El cátodo es en muchos sentidos lo opuesto al ánodo. El nombre (también acuñado por William Whewell) proviene de las palabras griegas κάθά (kata), 'hacia abajo' y ὁδός (hodós), 'un camino'. Es el electrodo positivo, es decir, los electrones del circuito eléctrico a través del cátodo hacia la parte no metálica de la celda electroquímica. En el cátodo, la reacción de reducción tiene lugar con los electrones que llegan del cable conectado al cátodo y son absorbidos por el agente oxidante.

Celda primaria

Una celda primaria es una batería diseñada para usarse una vez y luego desecharse. Esto se debe a que las reacciones electroquímicas que tienen lugar en los electrodos de la celda no son reversibles. Un ejemplo de una celda primaria es la batería alcalina desechable que se usa, por ejemplo, en linternas. Compuesto por un ánodo de zinc y un cátodo de óxido de manganeso en el que se forma ZnO.

Las semirreacciones son:Zn (s) + 2OH (aq) → ZnO (s) + H 2 O (l) + 2e qquad qquad[E oxidación = -1,28 V]2MnO 2(s) + H 2 O (l) + 2e → Mn 2 O 3(s) + 2OH (ac) qquad[ Reducción E = +0,15 V]

Reacción general:Zn (s) + 2MnO 2(s) ⇌ ZnO (s) + Mn 2 O 3(s) qquad qquad[E total = +1,43 V]

El ZnO es propenso a aglutinarse y dará una descarga menos eficiente si se recarga nuevamente. Es posible recargar estas baterías, pero se debe a problemas de seguridad desaconsejados por el fabricante. Otras celdas primarias incluyen baterías de zinc-carbono, zinc-cloruro y disulfuro de hierro y litio.

Celda secundaria

A diferencia de la celda primaria, se puede recargar una celda secundaria. La primera de ellas fue la batería de plomo-ácido inventada en 1859 por el francés Gaston Planté. Este tipo de batería sigue siendo la más utilizada en, entre otros, automóviles. El cátodo consta de dióxido de plomo (PbO2) y el ánodo de plomo sólido. Otras baterías recargables de uso común son las baterías de níquel-cadmio, hidruro de níquel-metal y las baterías de iones de litio. El último de los cuales se explicará más a fondo en este artículo debido a su importancia.

La teoría de la transferencia de electrones de Marcus

La teoría de Marcus es una teoría desarrollada originalmente por el premio Nobel Rudolph A. Marcus y explica la velocidad a la que un electrón puede moverse de una especie química a otra; para este artículo, esto puede verse como un "salto" del electrodo a una especie en el solvente. o viceversa. Podemos representar el problema calculando la tasa de transferencia para la transferencia de un electrón de un donante a un aceptorre + la → re + la

{displaystyle Delta G^{daga}={frac {1}{4lambda}}(Delta G^{0}+lambda)^{2}}

En el que la lambdaes la energía de reorganización. Completando este resultado en la ecuación de Arrhenius derivada clásicamente

{displaystyle k=A,exp({frac {-Delta G^{daga}}{kT}}),}

lleva a

{displaystyle k=A,exp({frac {-(Delta G^{0}+lambda)^{2}}{4lambda kT}})}

Siendo A el factor preexponencial que suele determinarse experimentalmente, aunque una derivación semiclásica proporciona más información como se explicará más adelante.

la situación en cuestión se puede describir con mayor precisión utilizando el modelo de oscilador armónico desplazado, en este modelo se permite la tunelización cuántica. Esto es necesario para explicar por qué incluso a Kelvin cercano a cero todavía hay transferencias de electrones, en contradicción con la teoría clásica.

Sin entrar en demasiados detalles sobre cómo se realiza la derivación, se basa en usar la regla de oro de Fermi de la teoría de perturbaciones dependientes del tiempo con el hamiltoniano completo del sistema. Es posible observar la superposición en las funciones de onda de los reactivos y los productos (el lado derecho e izquierdo de la reacción química) y, por lo tanto, cuándo sus energías son las mismas y permiten la transferencia de electrones. Como se mencionó antes, esto debe suceder porque solo entonces se respeta la conservación de la energía. Saltándose algunos pasos matemáticos, la probabilidad de transferencia de electrones se puede calcular (aunque bastante difícil) utilizando la siguiente fórmula

{displaystyle w_{ET}={frac {|J|^{2}}{hbar ^{2}}}int_{-infty}^{+infty}dte^{-iDelta Et/hbar -g(t)}}

Con jsiendo la constante de acoplamiento electrónico que describe la interacción entre los dos estados (reactivos y productos) y g(t)siendo la función de forma de línea. Tomando el límite clásico de esta expresión, es decir { estilo de visualización hbar omega ll kT}, y haciendo alguna sustitución se obtiene una expresión muy similar a la fórmula derivada clásicamente, como era de esperar.

{displaystyle w_{ET}={frac {|J|^{2}}{hbar }}{sqrt {frac {pi }{lambda kT}}}exp({frac {- (Delta E+lambda)^{2}}{4lambda kT}})}

La principal diferencia es que ahora el factor preexponencial ahora se ha descrito mediante más parámetros físicos en lugar del factor experimental. UN. Una vez más, se reverencia a las fuentes que se enumeran a continuación para una derivación e interpretación matemática más profunda y rigurosa.

Eficiencia

Las propiedades físicas de los electrodos están determinadas principalmente por el material del electrodo y la topología del electrodo. Las propiedades requeridas dependen de la aplicación y, por lo tanto, hay muchos tipos de electrodos en circulación. La propiedad que define a un material que se va a utilizar como electrodo es que sea conductor. Por lo tanto, cualquier material conductor, como metales, semiconductores, grafito o polímeros conductores, puede utilizarse como electrodo. A menudo, los electrodos consisten en una combinación de materiales, cada uno con una tarea específica. Los constituyentes típicos son los materiales activos que sirven como partículas que se oxidan o reducen, los agentes conductores que mejoran la conductividad del electrodo y los aglutinantes que se usan para contener las partículas activas dentro del electrodo. La eficiencia de las celdas electroquímicas se juzga por una serie de propiedades, las cantidades importantes son el tiempo de autodescarga, el voltaje de descarga y el rendimiento del ciclo. Las propiedades físicas de los electrodos juegan un papel importante en la determinación de estas cantidades. Las propiedades importantes de los electrodos son: la resistividad eléctrica, la capacidad calorífica específica (c_p), el potencial del electrodo y la dureza. Por supuesto, para las aplicaciones tecnológicas, el costo del material también es un factor importante. el potencial de electrodo y la dureza. Por supuesto, para las aplicaciones tecnológicas, el costo del material también es un factor importante. el potencial de electrodo y la dureza. Por supuesto, para las aplicaciones tecnológicas, el costo del material también es un factor importante.Los valores de estas propiedades a temperatura ambiente (T = 293 K) para algunos materiales de uso común se enumeran en la siguiente tabla.

PropiedadesLitio (Li)Manganeso (Mn)Cobre (Cu)Cinc (Zn)Grafito
Resistividad (Ωm)8.40e-81.44e-61.70e-85.92e-86.00e-6
Potencial de electrodo (V)-3.02-1.05-0.340-0.760-
Dureza (HV)<550050307-11
Capacidad calorífica específica (J/(gK))2.9970.4480.3850.38980.707

Efectos de superficie

La topología de la superficie del electrodo juega un factor importante en la determinación de la eficiencia de un electrodo. La eficiencia del electrodo se puede reducir debido a la resistencia de contacto. Por lo tanto, para crear un electrodo eficiente, es importante diseñarlo de manera que minimice la resistencia de contacto.

Fabricación

La producción de electrodos para baterías de Li-Ion se realiza en varios pasos de la siguiente manera:

  1. Los diversos constituyentes del electrodo se mezclan en un disolvente. Esta mezcla está diseñada de manera que mejora el rendimiento de los electrodos. Los componentes comunes de esta mezcla son:
    • Las partículas del electrodo activo.
    • Un aglutinante utilizado para contener las partículas activas del electrodo.
    • Un agente conductor utilizado para mejorar la conductividad del electrodo.
    La mezcla creada se conoce como "suspensión de electrodos".
  2. La suspensión de electrodos anterior se recubre sobre un conductor que actúa como colector de corriente en la celda electroquímica. Los colectores de corriente típicos son cobre para el cátodo y aluminio para el ánodo.
  3. Una vez que se ha aplicado la suspensión al conductor, se seca y luego se prensa al espesor requerido.

Estructura del electrodo

Para una selección dada de constituyentes del electrodo, la eficiencia final está determinada por la estructura interna del electrodo. Los factores importantes en la estructura interna para determinar el rendimiento del electrodo son:

Estas propiedades pueden verse influenciadas en la producción de los electrodos de varias maneras. El paso más importante en la fabricación de los electrodos es crear la suspensión de electrodos. Como se puede ver arriba, todas las propiedades importantes del electrodo tienen que ver con la distribución uniforme de los componentes del electrodo. Por lo tanto, es muy importante que la suspensión de electrodos sea lo más homogénea posible. Se han desarrollado múltiples procedimientos para mejorar esta etapa de mezcla y aún se están realizando investigaciones actuales.

Electrodos en baterías de iones de litio

Una aplicación moderna de los electrodos es en las baterías de iones de litio (baterías de iones de litio). Una batería de iones de litio es un tipo de batería de flujo que se puede ver en la imagen de la derecha.

Además, una batería de iones de litio es un ejemplo de celda secundaria, ya que es recargable. Puede actuar como celda galvánica o electrolítica. Las baterías de iones de litio utilizan iones de litio como soluto en el electrolito que se disuelven en un disolvente orgánico. Los electrodos de litio fueron estudiados por primera vez por GN Lewis y FG Keyes en 1913.En el siglo siguiente, estos electrodos se utilizaron para crear y estudiar las primeras baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio son muy populares debido a su gran rendimiento. Las aplicaciones incluyen teléfonos móviles y coches eléctricos. Debido a su popularidad, se está investigando mucho para reducir el costo y aumentar la seguridad de las baterías de iones de litio. Una parte integral de las baterías de iones de litio son sus ánodos y cátodos, por lo que se está investigando mucho para aumentar la eficiencia, la seguridad y reducir los costos de estos electrodos específicamente.

Cátodos

En las baterías de iones de litio, el cátodo consiste en un compuesto de litio intercalado (un material en capas que consta de capas de moléculas compuestas de litio y otros elementos). Un elemento común que forma parte de las moléculas del compuesto es el cobalto. Otro elemento de uso frecuente es el manganeso. La mejor elección de compuesto generalmente depende de la aplicación de la batería. Las ventajas de los compuestos a base de cobalto sobre los compuestos a base de manganeso son su alta capacidad calorífica específica, alta capacidad calorífica volumétrica, baja tasa de autodescarga, alto voltaje de descarga y alta durabilidad del ciclo. Sin embargo, también existen inconvenientes en el uso de compuestos a base de cobalto, como su alto costo y su baja termoestabilidad. El manganeso tiene ventajas similares y un costo menor, sin embargo, existen algunos problemas asociados con el uso de manganeso. El principal problema es que el manganeso tiende a disolverse en el electrolito con el tiempo. Por esta razón, el cobalto sigue siendo el elemento más común que se utiliza en los compuestos de litio. Se está investigando mucho para encontrar nuevos materiales que puedan usarse para crear baterías de iones de litio más baratas y duraderas.

ánodos

Los ánodos utilizados en las baterías de iones de litio producidas en masa tienen una base de carbono (generalmente grafito) o están hechos de titanato de litio de espinela (Li 4 Ti 5 O 12).

Otros ánodos y cátodos

En un tubo de vacío o un semiconductor que tiene polaridad (diodos, capacitores electrolíticos) el ánodo es el electrodo positivo (+) y el cátodo el negativo (-). Los electrones ingresan al dispositivo a través del cátodo y salen del dispositivo a través del ánodo. Muchos dispositivos tienen otros electrodos para controlar la operación, por ejemplo, base, puerta, rejilla de control.

En una celda de tres electrodos, un contraelectrodo, también llamado electrodo auxiliar, se usa solo para hacer una conexión con el electrolito de modo que se pueda aplicar una corriente al electrodo de trabajo. El contraelectrodo suele estar hecho de un material inerte, como un metal noble o grafito, para evitar que se disuelva.

Electrodos de soldadura

En la soldadura por arco, se utiliza un electrodo para conducir la corriente a través de una pieza de trabajo para fusionar dos piezas. Dependiendo del proceso, el electrodo es consumible, en el caso de la soldadura por arco de metal con gas o la soldadura por arco de metal protegido, o no consumible, como en la soldadura por arco de tungsteno con gas. Para un sistema de corriente continua, la barra o barra de soldadura puede ser un cátodo para una soldadura de tipo relleno o un ánodo para otros procesos de soldadura. Para un soldador de arco de corriente alterna, el electrodo de soldadura no se consideraría un ánodo o un cátodo.

Electrodos de corriente alterna

Para los sistemas eléctricos que utilizan corriente alterna, los electrodos son las conexiones del circuito al objeto sobre el que actúa la corriente eléctrica, pero no se denominan ánodo o cátodo porque la dirección del flujo de electrones cambia periódicamente, generalmente muchas veces por segundo..

Electrodos modificados químicamente

Los electrodos modificados químicamente son electrodos que tienen sus superficies modificadas químicamente para cambiar las propiedades físicas, químicas, electroquímicas, ópticas, eléctricas y de transporte del electrodo. Estos electrodos se utilizan para fines avanzados en investigación e investigación.

Usos

Los electrodos se utilizan para proporcionar corriente a través de objetos no metálicos para alterarlos de muchas maneras y para medir la conductividad para numerosos propósitos. Ejemplos incluyen: