Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Electrodo

Electrodos utilizados en la soldadura por arco metálico protegido Un electrodo es un conductor eléctrico que se utiliza para conectar con una parte no metálica de un circuito (p...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita
Electrodos utilizados en la soldadura por arco metálico protegido

Un electrodo es un conductor eléctrico que se utiliza para conectar con una parte no metálica de un circuito (por ejemplo, un semiconductor , un electrolito , el vacío o un gas). En las celdas electroquímicas , los electrodos son componentes esenciales que pueden estar formados por diversos materiales (sustancias químicas) según el tipo de celda. Un electrodo puede denominarse cátodo o ánodo según la dirección de la corriente eléctrica, independientemente de la diferencia de potencial entre ellos.

Michael Faraday acuñó el término " electrodo " en 1833; la palabra recuerda al griego ἤλεκτρον ( ḗlektron , "ámbar") y ὁδός ( hodós , "camino, vía").

El electróforo , inventado por Johan Wilcke en 1762, fue una versión temprana de un electrodo utilizado para estudiar la electricidad estática . [ 1 ]

Ánodo y cátodo en celdas electroquímicas

Esquema de una celda voltaica ( galvánica )

Los electrodos son una parte esencial de cualquier batería . La primera batería electroquímica fue ideada por Alessandro Volta y se denominó acertadamente pila voltaica . [ 2 ] 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 proporcionado por la pila voltaica, no era muy práctica. La primera batería práctica se inventó en 1839 y se denominó pila Daniell en honor a John Frederic Daniell . Todavía utilizaba la combinación de electrodos de zinc y cobre. Desde entonces, se han desarrollado muchas más baterías utilizando diversos materiales. La base de todas ellas sigue siendo el uso de dos electrodos, ánodos y cátodos .

Ánodo

El término «ánodo» fue acuñado por William Whewell a petición de Michael Faraday , derivado de las palabras griegas ἄνο (ano), «hacia arriba» y ὁδός (hodós), «camino». [ 3 ] El ánodo es el electrodo a través del cual la corriente convencional entra desde el circuito eléctrico de una celda electroquímica (batería) hacia la celda no metálica . Los electrones fluyen entonces hacia el otro lado de la batería. Benjamin Franklin supuso que el flujo eléctrico se movía de positivo a negativo. [ 4 ] Los electrones fluyen alejándose del ánodo y la corriente convencional hacia él. De ambos se puede concluir que el potencial eléctrico del ánodo es negativo. El electrón que entra en el 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 Whewell) proviene de las palabras griegas κάτω (kato), 'hacia abajo' y ὁδός (hodós), 'camino'. Es el electrodo positivo, lo que significa que los electrones fluyen desde el circuito eléctrico a través del cátodo hacia la parte no metálica de la celda electroquímica. En el cátodo, tiene lugar la reacción de reducción con los electrones que llegan desde el cable conectado al cátodo y son absorbidos por el agente oxidante .

Célula primaria

Diversas pilas desechables: dos de 9 voltios, dos "AAA", dos "AA", una de cada tipo "C", una "D", una pila para teléfono inalámbrico, una pila para videocámara, una pila para radioaficionado portátil de 2 metros y una pila de botón.

Una pila primaria es una batería diseñada para usarse una sola vez y luego desecharse. Esto se debe a que las reacciones electroquímicas que tienen lugar en los electrodos de la pila no son reversibles. Un ejemplo de pila primaria es la pila alcalina desechable que se usa comúnmente en las linternas. Está compuesta 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 −{\displaystyle \qquad \qquad }[ E 0 oxidación = −1,28  V]
2MnO 2(s) + H 2 O (l) + 2e − → Mn 2 O 3(s) + 2OH − (aq){\displaystyle \qquad }[ Reducción E 0 = +0,15 V] 

Reacción general:

Zn (s) + 2MnO 2(s) ⇌ ZnO (s) + Mn 2 O 3(s){\displaystyle \qquad \qquad }[ E 0 total = +1,43  V]

El óxido de zinc (ZnO) tiende a aglomerarse y su descarga será menos eficiente si se recarga. Si bien es posible recargar estas baterías, el fabricante desaconseja hacerlo por motivos de seguridad. Otras baterías primarias incluyen las de zinc-carbono , zinc-cloruro y disulfuro de hierro y litio.

Célula secundaria

Baterías recargables
Dirección de la corriente eléctrica y de los electrones en una batería secundaria durante la descarga y la carga.

A diferencia de la pila primaria, una pila secundaria se puede recargar. La primera fue la batería de plomo-ácido , inventada en 1859 por el físico francés Gaston Planté . Este tipo de batería sigue siendo la más utilizada en automóviles, entre otros. [ 5 ] El cátodo está compuesto de dióxido de plomo (PbO 2 ) y el ánodo de plomo sólido. Otras baterías recargables de uso común son las de níquel-cadmio , níquel-hidruro metálico y litio-ión . Esta última se explicará con mayor detalle en este artículo debido a su importancia.

La teoría de Marcus sobre la transferencia de electrones

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, [ 6 ] para este artículo esto puede verse como un "salto" del electrodo a una especie en el disolvente o viceversa. Podemos representar el problema como el cálculo de la velocidad de transferencia para la transferencia de un electrón de un donante a un aceptor.

D + A → D + + A −
Superficie de energía potencial para el donante y el aceptor como

La energía potencial del sistema es una función de las coordenadas traslacionales, rotacionales y vibracionales de las especies reaccionantes y las moléculas del medio circundante, denominadas colectivamente coordenadas de reacción. El eje de abscisas de la figura de la derecha representa estas. A partir de la teoría clásica de transferencia de electrones, la expresión de la constante de velocidad de reacción (probabilidad de reacción) se puede calcular, si se asume un proceso no adiabático y una energía potencial parabólica, hallando el punto de intersección ( ⁠Qincógnita{\displaystyle Q_{x}}⁠ ). Un punto importante a tener en cuenta, y que Marcus señaló cuando formuló la teoría, es que la transferencia de electrones debe respetar la ley de conservación de la energía y el principio de Frank-Condon. Haciendo esto y luego reordenándolo se llega a la expresión de la activación de la energía libre ( ⁠ΔGRAMO†{\displaystyle \Delta G^{\dagger }}⁠ ) ​​en términos de la energía libre total de la reacción ( ⁠ΔGRAMO0{\displaystyle \Delta G^{0}}⁠ ). ΔGRAMO†=14λ(ΔGRAMO0+λ)2{\displaystyle \Delta G^{\dagger }={\frac {1}{4\lambda }}(\Delta G^{0}+\lambda )^{2}}

En el cual elλ{\displaystyle \lambda }es la energía de reorganización. Sustituyendo este resultado en la ecuación de Arrhenius derivada clásicamentek=Aexp⁡(−ΔGRAMO†kT),{\displaystyle k=A\,\exp \left({\frac {-\Delta G^{\dagger }}{kT}}\right),} conduce a k=Aexp⁡[−(ΔGRAMO0+λ)24λkT],{\displaystyle k=A\,\exp \left[{\frac {-(\Delta G^{0}+\lambda )^{2}}{4\lambda kT}}\right],} donde A es el factor preexponencial, que generalmente se determina experimentalmente, [ 7 ] aunque una derivación semiclasica proporciona más información como se explica a continuación.

Este resultado derivado clásicamente reprodujo cualitativamente las observaciones de una tasa máxima de transferencia de electrones bajo las condiciones ⁠ΔGRAMO†=λ{\displaystyle \Delta G^{\dagger }=\lambda }⁠ . [ 8 ] Para un tratamiento matemático más extenso se podría leer el artículo de Newton. [ 9 ] Una interpretación de este resultado y una mirada más cercana al significado físico delλ{\displaystyle \lambda }Se puede leer el artículo de Marcus. [ 10 ]

La situación en cuestión puede describirse con mayor precisión utilizando el modelo de oscilador armónico desplazado, en el cual se permite el efecto túnel cuántico . Esto es necesario para explicar por qué, incluso a temperaturas absolutas cercanas a cero , todavía se producen transferencias de electrones [ 11 ] , en contradicción con la teoría clásica.

Sin entrar en demasiados detalles sobre cómo se realiza la derivación, esta se basa en el uso de la regla de oro de Fermi de la teoría de perturbaciones dependiente del tiempo con el hamiltoniano completo del sistema. Es posible observar la superposición de 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 iguales y permiten la transferencia de electrones. Como se mencionó anteriormente, esto debe ocurrir porque solo así se cumple la conservación de la energía. Omitiendo algunos pasos matemáticos, la probabilidad de transferencia de electrones se puede calcular (aunque es bastante difícil) utilizando la siguiente fórmula. wmiT=|J|2ℏ2∫−∞+∞dtmi−iΔmit/ℏ−gramo(t),{\displaystyle w_{ET}={\frac {|J|^{2}}{\hbar ^{2}}}\int _{-\infty }^{+\infty }dt\,e^{-i\Delta Et/\hbar -g(t)},} conJ{\displaystyle J}siendo la constante de acoplamiento electrónico que describe la interacción entre los dos estados (reactivos y productos) ygramo(t){\displaystyle g(t)}siendo la función de forma de línea . Tomando el límite clásico de esta expresión, es decirℏω≪kT{\displaystyle \hbar \omega \ll kT}y haciendo algunas sustituciones se obtiene una expresión muy similar a la fórmula derivada clásicamente, como era de esperar. wmiT=|J|2ℏπλkTexp⁡[−(Δmi+λ)24λkT]{\displaystyle w_{ET}={\frac {|J|^{2}}{\hbar }}{\sqrt {\frac {\pi }{\lambda kT}}}\exp \left[{\frac {-(\Delta E+\lambda )^{2}}{4\lambda kT}}\right]}

La principal diferencia es que ahora el factor preexponencial se describe mediante parámetros más físicos en lugar del factor experimental .A{\displaystyle A}Una vez más, se remite 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 y la topología del electrodo. Las propiedades requeridas dependen de la aplicación y, por lo tanto, existen muchos tipos de electrodos en circulación. La propiedad definitoria para que un material se utilice 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 función específica. Los componentes 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 utilizan para contener las partículas activas dentro del electrodo. La eficiencia de las celdas electroquímicas se evalúa mediante una serie de propiedades; las cantidades importantes son el tiempo de autodescarga , la tensión 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. [ 12 ] Los valores de estas propiedades a temperatura ambiente ( T = 293  K) para algunos materiales de uso común se enumeran en la tabla a continuación.

Efectos superficiales

La topología superficial del electrodo influye significativamente en su eficiencia. La resistencia de contacto puede reducir la eficiencia del electrodo . Por lo tanto, para crear un electrodo eficiente, es fundamental diseñarlo de manera que se minimice dicha resistencia.

Fabricación

La producción de electrodos para baterías de iones de litio se realiza en varias etapas como se indica a continuación: [ 14 ]

  1. Los distintos componentes del electrodo se mezclan en un disolvente para producir una «suspensión de electrodo». Esta mezcla está diseñada para mejorar el rendimiento de los electrodos. Los componentes comunes de esta mezcla son:
    • Las partículas activas del electrodo.
    • Un aglutinante utilizado para contener las partículas activas del electrodo.
    • Un agente conductor utilizado para mejorar la conductividad del electrodo.
  2. La suspensión de electrodo mencionada anteriormente se aplica sobre un conductor, que actúa como colector de corriente en la celda electroquímica. Los colectores de corriente típicos son el cobre para el cátodo y el aluminio para el ánodo.
  3. Una vez aplicada la pasta conductora, se seca y se prensa hasta alcanzar el 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 que determinan el rendimiento del electrodo son: [ 15 ]

  • Agrupación del material activo y del agente conductor. Para que todos los componentes de la suspensión cumplan su función, deben estar distribuidos uniformemente dentro del electrodo.
  • Una distribución uniforme del agente conductor sobre el material activo. Esto garantiza que la conductividad del electrodo sea óptima.
  • La adherencia del electrodo a los colectores de corriente. Esta adherencia garantiza que el electrodo no se disuelva en el electrolito.
  • La densidad del material activo. Debe encontrarse un equilibrio entre la cantidad de material activo, el agente conductor y el aglutinante. Dado que el material activo es el factor importante en el electrodo, la suspensión debe diseñarse de manera que su densidad sea lo más alta posible, sin que el agente conductor ni el aglutinante dejen de funcionar correctamente.

Estas propiedades pueden verse influenciadas en la producción de los electrodos de diversas maneras. El paso más importante en la fabricación de los electrodos es la creación de la suspensión de electrodo. Como se puede observar, las propiedades importantes del electrodo están relacionadas con la distribución uniforme de sus componentes. Por lo tanto, es fundamental que la suspensión de electrodo sea lo más homogénea posible. Se han desarrollado múltiples procedimientos para mejorar esta etapa de mezclado y la investigación actual continúa. [ 15 ]

Electrodos en baterías de iones de litio

Una aplicación moderna de los electrodos se encuentra en las baterías de iones de litio (baterías Li-ion). Una batería Li-ion es un tipo de batería de flujo , como se puede apreciar en la imagen de la derecha.

Además, una batería de iones de litio es un ejemplo de celda secundaria, ya que es recargable. Puede funcionar como celda galvánica o electrolítica . Las baterías de iones de litio utilizan iones de litio como soluto en el electrolito, los cuales se disuelven en un disolvente orgánico . Los electrodos de litio fueron estudiados por primera vez por Gilbert N. Lewis y Frederick G. Keyes en 1913. [ 16 ] 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 excelente rendimiento. Sus aplicaciones incluyen teléfonos móviles y automóviles eléctricos. Debido a su popularidad, se están realizando muchas investigaciones 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 tanto, se están realizando muchas investigaciones para aumentar la eficiencia, la seguridad y reducir los costos de estos electrodos en particular. [ 17 ]

cátodos

En las baterías de iones de litio, el cátodo consta de un compuesto de litio intercalado (un material laminar formado por 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 frecuentemente utilizado es el manganeso . La mejor elección del compuesto suele depender 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, pero existen algunos problemas asociados con su uso. 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 utilizado en los compuestos de litio. Se están realizando muchas investigaciones para encontrar nuevos materiales que puedan usarse para crear baterías de iones de litio más baratas y duraderas [ 17 ]. Por ejemplo, investigadores chinos y estadounidenses han demostrado que los nanotubos de carbono de pared simple ultralargos mejoran significativamente los cátodos de fosfato de hierro y litio. Al crear una red conductora altamente eficiente que une de forma segura las partículas de fosfato de hierro y litio, la adición de nanotubos de carbono como aditivo conductor en una dosis de solo 0,5 % en peso ayuda a los cátodos a lograr una notable capacidad de velocidad de 161,5 mA⋅h⋅g −1 a 0,5  C y 130,2  mA⋅h⋅g −1 a 5  C, manteniendo todo ello una retención de capacidad del 87,4 % después de 200 ciclos a 2  C. [ 18 ].

Ánodos

Los ánodos utilizados en las baterías de iones de litio de producción masiva son a base de carbono (generalmente grafito) o están hechos de titanato de litio espinela (Li 4 Ti 5 O 12 ). [ 17 ] Los ánodos de grafito se han implementado con éxito en muchas baterías modernas disponibles comercialmente debido a su bajo precio, longevidad y alta densidad de energía. [ 19 ] Sin embargo, presenta problemas de crecimiento de dendritas, con riesgos de cortocircuito de la batería y planteando un problema de seguridad. [ 20 ] El Li 4 Ti 5 O 12 tiene la segunda mayor cuota de mercado de ánodos, debido a su estabilidad y buena capacidad de velocidad, pero con desafíos como la baja capacidad. [ 21 ] Durante los primeros años de la década de 2000, la investigación de ánodos de silicio comenzó a acelerarse, convirtiéndose en uno de los candidatos más prometedores de la década para futuros ánodos de baterías de iones de litio. [ 22 ] El silicio tiene una de las capacidades gravimétricas más altas en comparación con el grafito y el Li 4 Ti 5 O 12 , así como una alta capacidad volumétrica. Además, el silicio tiene la ventaja de operar bajo un voltaje de circuito abierto razonable sin reacciones parásitas de litio. [ 23 ] [ 24 ] Sin embargo, los ánodos de silicio tienen un problema importante de expansión volumétrica durante la litiación de alrededor del 360%. [ 25 ] Esta expansión puede pulverizar el ánodo, lo que resulta en un rendimiento deficiente. [ 26 ] Para solucionar este problema, los científicos investigaron la variación de la dimensionalidad del Si. [ 22 ] Se han desarrollado muchos estudios en nanocables de Si , tubos de Si y láminas de Si. [ 22 ] Como resultado, los ánodos de Si jerárquicos compuestos se han convertido en la tecnología principal para futuras aplicaciones en baterías de iones de litio. A principios de la década de 2020, la tecnología está alcanzando niveles comerciales con la construcción de fábricas para la producción en masa de ánodos en los Estados Unidos. [ 27 ] Además, el litio metálico es otro posible candidato para el ánodo. Cuenta con una capacidad específica más alta que el silicio, sin embargo, tiene el inconveniente de trabajar con el litio metálico altamente inestable. [ 28 ] De manera similar a los ánodos de grafito, la formación de dendritas es otra limitación importante del litio metálico, siendo la interfase de electrolito sólido un desafío importante de diseño. [ 29] En última instancia, si se estabiliza, el litio metálico podría producir baterías que contengan la mayor cantidad de carga, siendo a la vez las más ligeras. [ 28 ] En los últimos años, los investigadores han realizado varios estudios sobre el uso denanotubos de carbono(SWCNT) como aditivos conductores. Estos SWCNT ayudan a preservar la conducción de electrones, aseguran reacciones electroquímicas estables y mantienen cambios de volumen uniformes durante el ciclado, reduciendo eficazmente la pulverización del ánodo. [ 30 ] [ 31 ]

Propiedades mecánicas

Un mecanismo común de falla de las baterías es el choque mecánico, que rompe el electrodo o el contenedor del sistema, lo que lleva a una baja conductividad y fugas de electrolito. [ 32 ] Sin embargo, la relevancia de las propiedades mecánicas de los electrodos va más allá de la resistencia a las colisiones debido a su entorno. Durante el funcionamiento estándar, la incorporación de iones en los electrodos lleva a un cambio en el volumen. Esto se ejemplifica bien con los electrodos de Si en baterías de iones de litio que se expanden alrededor del 300% durante la litiación. [ 33 ] Dicho cambio puede llevar a deformaciones en la red y, por lo tanto, tensiones en el material. El origen de las tensiones puede deberse a restricciones geométricas en el electrodo o a una deposición no homogénea del ion. [ 34 ] Este fenómeno es muy preocupante ya que puede llevar a la fractura del electrodo y a la pérdida de rendimiento. Por lo tanto, las propiedades mecánicas son cruciales para permitir el desarrollo de nuevos electrodos para baterías de larga duración. Una posible estrategia para medir el comportamiento mecánico de los electrodos durante el funcionamiento es mediante el uso de nanoindentación . [ 35 ] El método permite analizar cómo evolucionan las tensiones durante las reacciones electroquímicas, siendo una herramienta valiosa para evaluar posibles vías de acoplamiento entre el comportamiento mecánico y la electroquímica.

Más allá de afectar la morfología del electrodo, las tensiones también pueden influir en las reacciones electroquímicas. [ 34 ] [ 36 ] Si bien las fuerzas impulsoras químicas suelen ser de mayor magnitud que las energías mecánicas, esto no se cumple en el caso de las baterías de iones de litio. [ 37 ] Un estudio del Dr. Larché estableció una relación directa entre la tensión aplicada y el potencial químico del electrodo. [ 38 ] Aunque ignora múltiples variables, como la variación de las restricciones elásticas, resta del potencial químico total la energía elástica inducida por la tensión. μ=μo+k⋅T⋅registro⁡(γ⋅incógnita)+Ω⋅σ{\displaystyle \mu =\mu ^{\text{o}}+k\cdot T\cdot \log(\gamma \cdot x)+\Omega \cdot \sigma }

En esta ecuación, μ representa el potencial químico, siendo μ₀ su valor de referencia. T representa la temperatura y k la constante de Boltzmann . El término γ dentro del logaritmo es la actividad y x es la relación del ion con la composición total del electrodo. El nuevo término Ω es el volumen molar parcial del ion en el huésped y σ corresponde a la tensión media que experimenta el sistema. El resultado de esta ecuación es que la difusión, que depende del potencial químico, se ve afectada por la tensión añadida y, por lo tanto, cambia el rendimiento de la batería. Además, las tensiones mecánicas también pueden afectar la capa de interfase sólido-electrolito del electrodo. [ 32 ] La interfaz que regula la transferencia de iones y carga puede degradarse por la tensión. Por lo tanto, se consumirán más iones en la solución para reformarla, disminuyendo la eficiencia general del sistema. [ 39 ]

Otros ánodos y cátodos

En un tubo de vacío o un semiconductor con polaridad ( diodos , condensadores electrolíticos ), el ánodo es el electrodo positivo (+) y el cátodo el negativo (−). Los electrones entran al dispositivo por el cátodo y salen por el ánodo. Muchos dispositivos cuentan con otros electrodos para controlar su funcionamiento, como la base, la puerta y la rejilla de control.

En una celda de tres electrodos, el contraelectrodo, también llamado electrodo auxiliar , se utiliza únicamente para conectar el electrodo con el electrolito y así aplicar 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 y fusionar dos piezas. Según el proceso, el electrodo puede ser consumible, como en la soldadura por arco metálico con gas o la soldadura por arco metálico protegido , o no consumible, como en la soldadura por arco de tungsteno con gas . En un sistema de corriente continua, la varilla de soldadura puede ser un cátodo para una soldadura de relleno o un ánodo para otros procesos de soldadura. En una soldadora de arco de corriente alterna, el electrodo de soldadura no se considera ni ánodo ni cátodo.

Electrodos de corriente alterna

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

Electrodos modificados químicamente

Los electrodos modificados químicamente son electrodos cuyas superficies se modifican químicamente para alterar sus propiedades físicas , químicas , electroquímicas , ópticas , eléctricas y de transporte. Estos electrodos se utilizan para fines avanzados en investigación. [ 40 ]

Usos

Los electrodos se utilizan para hacer pasar corriente a través de objetos no metálicos para modificarlos de diversas maneras y medir la conductividad con múltiples fines. Algunos ejemplos son:

Tipos de material utilizados para el electrodo

Los diferentes materiales de electrodo se seleccionan en función del metal base, la resistencia de la soldadura y las condiciones de servicio. Algunos ejemplos comunes son:

Aceros dulces

Estos electrodos se utilizan para soldadura de uso general.

  • E6010
  • E6011
  • E6013
  • E7018

Aceros inoxidables

Se utiliza donde se requiere resistencia a la corrosión.

  • E308L
  • E309L
  • E316L
  • E347

Hierro fundido

Diseñado para reparar o unir componentes de hierro fundido.

  • ENiFe-CI
  • ENi-CI
  • ESt

Aleaciones de níquel

Se utiliza para soldar metales diferentes, corrosivos o a altas temperaturas.

  • ENiCrMo-3
  • ENiCrFe-2
  • ENiCrMo-6
  • ENiCu-7

Aluminio

Se aplica cuando se requieren juntas ligeras, conductoras o resistentes a la corrosión.

  • E4043
  • E5356
  • E1100

Titanio

Se utiliza en aplicaciones aeroespaciales, químicas y de alta temperatura.

  • ERTi-1
  • ERTi-2
  • ERTi-5 (Ti-6Al-4V)

Cobre y aleaciones de cobre

Se utiliza para aplicaciones conductoras y para unir aleaciones a base de cobre.

  • Ecu
  • ECuSi-A
  • ECuSn-C

Véase también

Referencias

  1. ↑ Whitaker, Harry (2007). Cerebro, mente y medicina: Ensayos sobre neurociencia del siglo XVIII . Nueva York, NY: Springer. pág.  140. ISBN 978-0-387-70967-3.
  2. ↑ Bellis, Mary. Biografía de Alessandro Volta: electricidad almacenada y la primera batería.
  3. ↑ Ross, S. (30 de noviembre de 1961). "Faraday consulta a los eruditos: los orígenes de los términos de la electroquímica". Notes and Records of the Royal Society of London . 16 (2): 187– 220. doi : 10.1098/rsnr.1961.0038 . S2CID 145600326 . 
  4. ↑ Flujo de corriente convencional y flujo de electrones. (12 de septiembre de 2021). Mohawk Valley Community College. https://eng.libretexts.org/@go/page/25106
  5. ↑ "Los 4 tipos de baterías recargables explicados" . RB Battery . 2 de junio de 2020.
  6. ↑ "Reacciones de transferencia de electrones en química: teoría y experimento" . Nobelstiftung . 8 de diciembre de 1992. Consultado el 2 de abril de 2007 .
  7. ↑ Gold, Victor, ed. (2019). "The IUPAC Compendium of Chemical Terminology" . doi : 10.1351/goldbook .
  8. ↑ "Teoría de Marcus para la transferencia de electrones" . 12 de diciembre de 2020. Consultado el 24 de enero de 2021 .
  9. ↑ Newton, Marshall D. (1991). "Sondas químicas cuánticas de la cinética de transferencia de electrones: La naturaleza de las interacciones donador-aceptor". Chemical Reviews . 91 (5): 767– 792. doi : 10.1021/cr00005a007 .
  10. ↑ Marcus, Rudolph A. (1993). "Reacciones de transferencia de electrones en química. Teoría y experimento" . Reviews of Modern Physics . 65 (3): 599– 610. Bibcode : 1993RvMP...65..599M . doi : 10.1103/RevModPhys.65.599 .
  11. ↑ DeVault, D. (1984) Tunelización cuántica en sistemas biológicos; Cambridge University Press: Cambridge.
  12. ↑ Engineering360. "Guía de selección de electrodos y materiales para electrodos: tipos, características y aplicaciones" . www.globalspec.com .
  13. ↑ " Recurso de información sobre materiales en línea" . www.matweb.com
  14. ↑ Hawley, W. Blake; Li, Jianlin (2019). "Fabricación de electrodos para baterías de iones de litio: análisis del procesamiento actual y de próxima generación" . Journal of Energy Storage . 25 100862. Bibcode : 2019JEnSt..2500862H . doi : 10.1016/j.est.2019.100862 . OSTI 1546514. S2CID 201301519 .  
  15. 1 2 Konda, Kumari; Moodakare, Sahana B.; Kumar, P. Logesh; Battabyal, Manjusha; Seth, Jyoti R.; Juvekar, Vinay A.; Gopalan, Raghavan (2020). "Esfuerzo integral en la preparación de la suspensión de electrodos para un mejor rendimiento electroquímico de la batería LiFePO 4 ". Journal of Power Sources . 480 228837. Bibcode : 2020JPS...48028837K . doi : 10.1016/j.jpowsour.2020.228837 . S2CID 224980374 . 
  16. ↑ Lewis, Gilbert N.; Keyes, Frederick G. (1913). "El potencial del electrodo de litio" . Journal of the American Chemical Society . 35 (4): 340– 344. Bibcode : 1913JAChS..35..340L . doi : 10.1021/ja02193a004 .
  17. 1 2 3 Kam, Kinson C.; Doeff, Marca M., "Materiales de electrodos para baterías de iones de litio" , Documentos técnicos de Sigma-Aldrich: Materiales de laboratorio y producción
  18. ↑ Guo, Mingyi; Cao, Zengqiang; Liu, Yukang; Ni, Yuxiang; Chen, Xianchun; Terrones, Mauricio; Wang, Yanqing (mayo de 2023). "Preparación de un cátodo de LiFePO4 resistente, sin aglutinante y autoportante mediante el uso de nanotubos de carbono de pared simple ultralargos monodispersos para baterías de iones de litio de alto rendimiento" . Advanced Science . 10 (13) 2207355. doi : 10.1002/advs.202207355 . ISSN 2198-3844 . PMC 10161069. PMID 36905241 .   
  19. ↑ Zhang, Hao; Yang, Yang; Ren, Dongsheng; Wang, Li; He, Xiangming (2021-04-01). "Grafito como material de ánodo: mecanismo fundamental, progreso reciente y avances" . Energy Storage Materials . 36 : 147–170 . Bibcode : 2021EneSM..36..147Z . doi : 10.1016/j.ensm.2020.12.027 . ISSN 2405-8297 . S2CID 233072977 .  
  20. ↑ Zhao, Qiang; Hao, Xiaoge; Su, Shiming; Ma, Jiabin; Hu, Yi; Liu, Yong; Kang, Feiyu; He, Yan-Bing (2019). "Grafito expandido incrustado en litio metálico como ánodo libre de dendritas de baterías de litio metálico" . Journal of Materials Chemistry A. 7 ( 26): 15871– 15879. doi : 10.1039/C9TA04240G . ISSN 2050-7488 . S2CID 195381622 .  
  21. ^ Zhang, Hao; Yang, Yang; Xu, Hong; Wang, Li; Lu, Xia; Él, Xiangming (abril de 2022). «Ánodo de espinela Li 4 Ti 5 O 12: Fundamentos y avances en baterías recargables» . InfoMat . 4 (4) e12228. doi : 10.1002/inf2.12228 . ISSN 2567-3165 . 
  22. 1 2 3 Zuo, Xiuxia; Zhu, Jin; Müller-Buschbaum, Peter; Cheng, Ya-Jun (2017-01-01). "Ánodos de baterías de iones de litio basados ​​en silicio: una revisión de perspectiva crónica" . Nano Energy . 31 : 113–143 . Bibcode : 2017NEne...31..113Z . doi : 10.1016/j.nanoen.2016.11.013 . ISSN 2211-2855 . 
  23. ↑ Zhang, Wei-Jun (2011-01-01). "Una revisión del rendimiento electroquímico de los ánodos de aleación para baterías de iones de litio" . Journal of Power Sources . 196 (1): 13– 24. Bibcode : 2011JPS...196...13Z . doi : 10.1016/j.jpowsour.2010.07.020 . ISSN 0378-7753 . 
  24. ↑ Liang, Bo; Liu, Yanping; Xu, Yunhua (2014-12-01). "Materiales a base de silicio como ánodos de alta capacidad para baterías de iones de litio de próxima generación" . Journal of Power Sources . 267 : 469–490 . Bibcode : 2014JPS...267..469L . doi : 10.1016/j.jpowsour.2014.05.096 . ISSN 0378-7753 . 
  25. ↑ Li, Xiaolin; Gu, Meng; Hu, Shenyang; Kennard, Rhiannon; Yan, Pengfei; Chen, Xilin; Wang, Chongmin; Sailor, Michael J.; Zhang, Ji-Guang; Liu, Jun (2014-07-08). "Esponja de silicio mesoporoso como estructura antipulverización para ánodos de baterías de iones de litio de alto rendimiento" . Nature Communications . 5 (1): 4105. Bibcode : 2014NatCo...5.4105L . doi : 10.1038/ncomms5105 . ISSN 2041-1723 . PMID 25001098 .  
  26. ↑ Zhang, Huigang; Braun, Paul V. (2012-06-13). "Ánodos de batería de silicio bicontinuos soportados por andamios metálicos tridimensionales" . Nano Letters . 12 (6): 2778– 2783. Bibcode : 2012NanoL..12.2778Z . doi : 10.1021/nl204551m . ISSN 1530-6984 . PMID 22582709 .  
  27. ↑ Ohnsman, Alan. "Exingeniero de Tesla construye una planta de ánodos de silicio mientras EE. UU. aumenta la producción de baterías para vehículos eléctricos" . Forbes . Consultado el 19 de noviembre de 2022 .
  28. 1 2 Alex Scott (7 de abril de 2019). "En el mundo de los materiales para baterías, ha llegado el momento del ánodo" . cen.acs.org . Consultado el 19 de noviembre de 2022 .
  29. ↑ Liu, Bin; Zhang, Ji-Guang; Xu, Wu (16 de mayo de 2018). "Avances en baterías de litio metálico" . Joule . 2 (5): 833– 845. Bibcode : 2018Joule...2..833L . doi : 10.1016/j.joule.2018.03.008 . ISSN 2542-4785 . 
  30. ↑ Park, Gun; Moon, Hyeongyu; Shin, Sunyoung; Lee, Sumin; Lee, Yongju; Choi, Nam-Soon; Hong, Seungbum (2023-07-14). "Litiación espacialmente uniforme habilitada por nanotubos de carbono de pared simple" . ACS Energy Letters . 8 (7): 3154– 3160. Bibcode : 2023ACSEL...8.3154P . doi : 10.1021/acsenergylett.3c01060 . ISSN 2380-8195 . 
  31. ↑ Dressler, RA; Dahn, JR (marzo de 2024). "Optimización de ánodos basados ​​en Si y SiO con nanotubos de carbono de pared simple para aplicaciones de alta densidad energética" . Journal of the Electrochemical Society . 171 (3): 030520. Bibcode : 2024JElS..171c0520D . doi : 10.1149/1945-7111/ad30dc . ISSN 1945-7111 . 
  32. 1 2 Palacín, MR; de Guibert, A. (2016-02-05). "¿Por qué fallan las baterías?" . Science . 351 (6273) 1253292. doi : 10.1126/science.1253292 . hdl : 10261/148077 . ISSN 0036-8075 . PMID 26912708 . S2CID 11534630 .   
  33. ↑ Li, Dawei; Wang, Yikai; Hu, Jiazhi; Lu, Bo; Cheng, Yang-Tse; Zhang, Junqian (31-10-2017). "Medición in situ de la propiedad mecánica y la evolución de la tensión en un electrodo de silicio compuesto" . Journal of Power Sources . 366 : 80–85 . Bibcode : 2017JPS...366...80L . doi : 10.1016/j.jpowsour.2017.09.004 . ISSN 0378-7753 . 
  34. 1 2 Xu, Rong; Zhao, Kejie (2016-12-12). "Electroquimomecánica de electrodos en baterías de iones de litio: una revisión". Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage . 13 (3) 030803. doi : 10.1115/1.4035310 . ISSN 2381-6872 . 
  35. ↑ de Vasconcelos, Luize Scalco; Xu, Rong; Zhao, Kejie (2017). "Operando Nanoindentación: una nueva plataforma para medir las propiedades mecánicas de electrodos durante reacciones electroquímicas" . Revista de la Sociedad Electroquímica . 164 (14): A3840– A3847. doi : 10.1149/2.1411714jes . ISSN 0013-4651 . S2CID 102588028 .  
  36. ↑ Zhao, Kejie; Pharr, Matt; Cai, Shengqiang; Vlassak, Joost J.; Suo, Zhigang (junio de 2011). "Gran deformación plástica en baterías de iones de litio de alta capacidad causada por la carga y descarga: gran deformación plástica en baterías de iones de litio" . Journal of the American Ceramic Society . 94 : s226– s235. doi : 10.1111/j.1551-2916.2011.04432.x .
  37. ↑ Spaepen *, F. (11 de septiembre de 2005). "Un estudio sobre las energías en la ciencia de los materiales". Philosophical Magazine . 85 ( 26–27 ): 2979–2987 . Bibcode : 2005PMag...85.2979S . doi : 10.1080/14786430500155080 . ISSN 1478-6435 . S2CID 220330377 .  
  38. ↑ Larché, F; Cahn, J. W (1973-08-01). "Una teoría lineal del equilibrio termoquímico de sólidos bajo tensión". Acta Metallurgica . 21 (8): 1051– 1063. doi : 10.1016/0001-6160(73)90021-7 . ISSN 0001-6160 . 
  39. ↑ Zhao, Kejie; Cui, Yi (1 de diciembre de 2016). "Comprender el papel de la mecánica en los materiales energéticos: una perspectiva" . Extreme Mechanics Letters . Mecánica de los materiales energéticos. 9 : 347–352 . Bibcode : 2016ExML....9..347Z . doi : 10.1016/j.eml.2016.10.003 . ISSN 2352-4316 . 
  40. ↑ Durst, R., Baumner, A., Murray, R., Buck, R., & Andrieux, C., " Electrodos modificados químicamente: terminología y definiciones recomendadas (PDF) Archivado el 1 de febrero de 2014 en Wayback Machine ", IUPAC, 1997, pp 1317–1323.

Lecturas adicionales

  • Kebede, Mesfin A.; Ezema, Fabián I., eds. (2022). Materiales de electrodos para almacenamiento y conversión de energía (Primera  ed.). Boca Ratón: CRC Press/Taylor & Francis. doi : 10.1201/9781003145585 . ISBN 978-0-367-70304-2. S2CID 240536462 . 
  • Doeff, MM; Chen, G; Cabana, J; Richardson, TJ; Mehta, A; Shirpour, M; Duncan, H; Kim, C; Kam, KC; Conry, T (11 de noviembre de 2013). "Caracterización de materiales de electrodos para baterías de iones de litio y sodio mediante técnicas de radiación sincrotrón" . Journal of Visualized Experiments (81) e50594. doi : 10.3791/50594 . PMC 3989498. PMID 24300777 .