Катоды это: Анод, катод, положительный и отрицательный: основы химии батарей

Анод, катод, положительный и отрицательный: основы химии батарей

04 мая 2020г.

В последнее время были совершены важные открытия в области аккумуляторных батарей (иногда называемых вторичными элементами), и большую часть этой работы можно отнести к разработке электромобилей. Эта работа помогла получить Нобелевскую химическую премию 2019 года за разработку литий-ионных аккумуляторов. Следовательно, термины «анод», «катод», «положительный» и «отрицательный» приобрели все большую важность.

В статьях о новых батарейных электродах и станциях циклирования батарей часто используются названия анод и катод без указания того, разряжается ли батарея или заряжается. Термины анод, катод, положительный и отрицательный не являются синонимами, их иногда можно спутать, что может привести к ошибкам.

Цель этой статьи — прояснить и четко определить эти разные термины.

Реакции окисления и восстановления

Реакция окисления является электрохимической реакцией, которая производит электроны. Электрохимическая реакция, которая происходит на отрицательном элементе цинкового электрода никель-цинковой батареи во время разряда:

 

Zn + 4OH^— → Zn (OH) ^2-₄ + 2e^—
 

реакция окисления. Окисление — это потеря электронов.

Реакция восстановления — это электрохимическая реакция, которая потребляет электроны. Электрохимическая реакция, происходящая на положительной стороне литий-ионного аккумулятора во время разряда:
 

Li₁ — _xCoO₂ + XLI⁺+ Xe^— → LiCoO₂
 

является реакцией восстановления. Сокращение — это выигрыш электронов.

Анод, катод

• Анод — это электрод, в котором происходит реакция окисления. Потенциал анода, через который протекает ток, выше его равновесного потенциала: E_a (I)> E^{_{I = 0}} (рис. 1).
• Катод — это электрод, в котором происходит реакция восстановления. Потенциал катода, через который протекает ток, ниже его равновесного потенциала: E
  c (I) < E_{I = 0} (рис. 1).

Рис.1: (E

_I≠0−E_I=0) I > 0

Положительные и отрицательные электроды

Два электрода батареи или аккумулятора имеют разные потенциалы. Электрод с более высоким потенциалом упоминается как положительный, электрод с более низким потенциалом упоминается как отрицательный. Электродвижущая сила, эдс в V батареи — это разность потенциалов положительного и отрицательного электродов, когда батарея не работает.

Исследуя батарею

Разряд батареи

Во время разряда напряжение элемента U, разность между положительным и отрицательным, уменьшается (рис. 2, 3).

• Потенциал положительного электрода E⁺_I≠0 становится меньше его значения в состоянии покоя E⁺_{I = 0} : E⁺_I≠0  → положительный электрод является катодом.
• Потенциал отрицательного электрода E^— _I≠0 становится больше его значения в состоянии покоя E^—_I=0 : E^—_I>0 > E^—_I=0 → отрицательный электрод является анодом.

Рис. 2: Разряд и заряд батареи: слева — потенциальное изменение положительного и отрицательного электродов; справа — изменение напряжения батареи

Зарядка аккумулятора

Во время зарядки напряжение элемента U, разность между положительным и отрицательным, увеличивается (рис. 2, 3).

• Потенциал положительного электрода E⁺_I≠0 становится больше его значения в состоянии покоя E⁺_I=0 : E⁺_I>0 > E⁺_I=0 → положительный электрод является анодом.
• Потенциал отрицательного электрода E^—_I≠0 становится меньше его значения в состоянии покоя E^—_I=0 : E^—_I<0  < E^—_I=0 → отрицательный электрод является катодом.

Рис. 3: Разрядка / зарядка вторичной батареи, представленной в виде электрохимической ячейки, с электронами и направлением тока.

Вывод

При обычном использовании перезаряжаемой батареи потенциал положительного электрода как при разряде, так и при перезарядке остается больше, чем потенциал отрицательного электрода. С другой стороны, роль каждого электрода переключается во время цикла разрядки / зарядки.

• Во время разряда положительным является катод, отрицательным является анод.
• Во время заряда положительным является анод, отрицательным является катод. 

Тексты, описывающие аккумуляторные аноды или катоды, безусловно, косвенно рассматривают случай разряда, что является неполным предсталением о процессах, происходящих внутри вторичного элемента.

Поделиться в соцсетях:

катод — это… Что такое катод?

КАТОД — (греч. kathodos спуск). Полюс гальванической пары, противоположный аноду. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. КАТОД в гальванических элементах и вольтовом столбе отрицательный полюс, т. е. конец… …   Словарь иностранных слов русского языка

катод — а, м. cathode f. &LT;англ. cathode &LT; гр. kathodos путь вниз, спуск. Электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока (в противоположность аноду). БАС 1. В действии таких приборов, как гальваническая баттарея, полярности нет и быть… …   Исторический словарь галлицизмов русского языка

катод — [IEV number 151 13 03] катод Плоская заготовка, получаемая методом электролиза, предназначенная для переплава. [ГОСТ 25501 82] катод Отрицательный электрод рентгеновской трубки [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология… …   Справочник технического переводчика

КАТОД — (от греч. kathodes ход вниз, возвращение; термин предложен англ. физиком М. Фарадеем в 1834), 1) отрицательный электрод электровакуумного или газоразрядного прибора, служащий источником эл нов, к рые обеспечивают проводимость межэлектродного пр… …   Физическая энциклопедия

катод

— эмиттер Словарь русских синонимов. катод сущ., кол во синонимов: 4 • термокатод (1) • …   Словарь синонимов

КАТОД — КАТОД, электрод, соединенный с отрицательным полюсом батареи. Если в жидкость погрузить две металлические пластины, соединенные с полюсами батареи, то различие между катодом и анодом скажется в следующем: если пластины, из к рых сделаны электроды …   Большая медицинская энциклопедия

катод — электровакуумного прибора; катод Электрод, основным назначением которого обычно является испускание электронов при электрическом разряде …   Политехнический терминологический толковый словарь

КАТОД — (от греческого kathodos ход вниз, возвращение), электрод электронного либо электротехнического прибора или устройства (например, электровакуумного прибора, гальванического элемента, электролитической ванны), характеризующийся тем, что движение… …   Современная энциклопедия

КАТОД — (от греч. kathodos ход вниз возвращение), в широком смысле электрод различных радио и электротехнических устройств или приборов (электронных ламп, гальванических элементов, электролитических ванн и т. д.), характеризующийся тем, что движение… …   Большой Энциклопедический словарь

КАТОД — КАТОД, отрицательно заряженный ЭЛЕКТРОД в электролитическом элементе или ЭЛЕКТРОННОЙ ТРУБКЕ. В процессе ЭЛЕКТРОЛИЗА (где электрическая энергия используется для осуществления химических изменений) к нему притягиваются положительно заряженные ионы… …   Научно-технический энциклопедический словарь

КАТОД — КАТОД, катода, муж. (греч. kathodos возвращение) (физ.). Отрицательный электрод; ант. анод. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 …   Толковый словарь Ушакова

Катоды и аноды отрицательно и положительно заряженные электроды

Катод – это электрод устройства, который подключен к отрицательному полюсу источнику тока. Анод – противоположность ему. Это электрод прибора, подключенный к положительному полюсу источника тока.

Окислительно-восстановительный процесс на электродах

Обратите внимание! Чтобы легче запомнить разницу между ними, используют шпаргалку. В словах «катод»-«минус», «анод»-«плюс» одинаковое число букв.

Применение в электрохимии

В этом разделе химии катод – это отрицательно заряженный электрический проводник (электрод), притягивающий к себе положительно заряженные ионы (катионы) во время процессов окисления и восстановления.

Электролитическое рафинирование – это электролиз сплавов и водных растворов. Большинство цветных металлов подвергаются такой очистке. При помощи электролитической очистки получается металл с высокой чистотой. Так, степень чистоты меди после рафинирования достигает 99,99%.

Электролиз меди

На положительном электрическом проводнике во время рафинирования или очистки проходит электролитический процесс. Во время него металл с примесями помещают в электролизер и делают анодом. Такие процессы проводятся при помощи внешнего источника электрической энергии и называются реакциями электролиза. Осуществляются в электролизерах. Он выполняет функцию электронасоса, нагнетающего отрицательно заряженные частицы (электроны) в отрицательный проводник и удаляющего его из анода. Откуда исходит ток, неважно.

На катоде очищается металл от посторонних примесей. Простой катод изготавливается из вольфрама, иногда – из тантала. Достоинством вольфрамового отрицательного электрода является стойкость его изготовления. Из недостатков – имеет низкую эффективность и неэкономичность. Сложные катоды имеют разное устройство. У многих таких типов проводников на чистый металл сверху наносится специальный слой, который активирует получение большей производительности при относительно низких температурах. Они очень экономичны. Их недостаток состоит в небольшой устойчивости производительности.

Готовый чистый металл тоже называется катодом. Например, цинковый или платиновый катод. На производстве отрицательный проводник отделяют от катодной основы при помощи катодосдирочных машин.

При удалении отрицательно заряженных частиц из электрического проводника на нем создается анод, а при нагнетании отрицательно заряженных частиц на электрический проводник – катод. При электролизе очищаемого металла его положительные ионы притягивают к себе отрицательно заряженные частицы на отрицательном проводнике, и происходит восстановительный процесс. Чаще всего используют такие аноды:

• цинковые;
• кадмиевые;
• медные;
• никелевые;
• оловянные;
• золотые;
• серебряные;
• платиновые.

Чаще всего на производстве используют цинковые аноды. Они бывают:

• катанные;
• литые;
• сферические.

Больше всего применяют катанные цинковые аноды. Еще используют никелевые и медные. А вот кадмиевые почти не используются из-за их токсичности для экологии. Бронзовые и оловянные аноды применяют при изготовлении радиоэлектронных печатных плат.

Гальванизация (гальваностегия) – процесс нанесения тонкого слоя металла на другой предмет с целью предотвращения коррозии изделия, окисления контактов в электронике, износостойкости, декорации. Суть процесса такая же, как при рафинировании.

Цинк и олово используют для повышения стойкости изделия при коррозии. Цинкование бывает холодным, горячим, гальваническим, газотермическим и термодиффузионным. Золото используют в основном в защитно-декоративных целях. Серебро повышает стойкость контактов электроприборов к окислению. Хром – для увеличения износостойкости и защиты от коррозии. Хромирование придает изделиям красивый и дорогой вид. Используется для нанесения на ручки, краны, колесные диски и т.д. Процесс хромирования токсичен, поэтому строго регламентируется законодательством разных стран. Ниже на картинке представлен метод гальванизации при помощи никеля.

Никелирование чайника методом гальванизации

Применение в вакуумных электронных приборах

Здесь катод выступает источником свободных электродов. Они образуются в ходе их выбивания из металла при высоких температурах. Положительно заряженный электрод притягивает электроны, выпущенные отрицательным проводником. В разных аппаратах он в разной степени собирает их в себя. В электронных трубках он полностью притягивает отрицательно заряженные частицы, а в электронно-лучевых приборах – частично, формируя в завершении процесса электронный луч.

Маркировка

Стандартно катод маркируют как «-». Знак анода –  «+». А вот в гальванике, из-за того, что отрицательный заряд на проводнике снабжается не источником тока извне, а реакцией окисления металла, катод получит положительный заряд электрического проводника. Поэтому в аккумуляторах, когда ток меняет направление, происходит смена знаков «+» и «-».

Эти свойства катодов и анодов нашли широкое применение в промышленности при очистке металла и в гальваностегии.

Видео

Оцените статью:

Катоды и катодо-подогревательные узлы — АО НПП Торий

Традиционно принято считать катодный узел сердцем электровакуумного прибора. Для мощных ЭВП СВЧ это представляет особый смысл в связи с тем, что основные электродинамические и эксплуатационные параметры приборов находятся в тесной связи с параметрами катодных узлов. Катодный узел оказывает определяющее влияние на получение высоких параметров, надёжности и долговечности электровакуумных приборов.

Катодное производство в АО НПП «Торий» изготавливает оксидные и металлопористые катоды с размерами эмитирующей поверхности от долей миллиметра до нескольких сотен миллиметров.

Металлопористые катоды производятся следующих размеров:

— однолучевые, диаметром эмиттера от 3 мм до 30 мм

— многолучевые, диаметром от 14 мм до 110 мм, с количеством катодов в узле от 18 до 40 и диаметром отдельных эмиттеров от 2 до 9 мм.

Оксидные катоды изготавливаются различной формы (плоские, сферические, цилиндрические и др.), и диаметром от 25 мм до 145 мм.

Подогреватели для катодов изготавливаются как ленточные, так и проволочные из вольфрама и молибдена.

	Рабочая температура катода, 0С	Плотность тока, А/см2		Наработка (в реальных приборах), тыс.ч.
		Непрерывный режим	Импульсный режим
Низкотемпературные оксидные катоды	750-850	0,1-1,0	1-150	3-50
Высокотемпературные оксидные катоды	1200-1500	0,1-1,0	1,5-10	2-10
Металлопористые катоды	900-1150	0,5-10	0,5-100	0,5-20

Если вы заинтересовались данной продукцией, напишите нам

Катод и анод — это плюс или минус: как определить

Анод и катод — два физических термина прикладной электроники, гальванотехнике и химии. Уяснив эти термины, можно понять, почему, например, греется аудиоплеер. Путаница в терминологии спровоцирует аварийные ситуации.

Что это такое

Катоды и аноды — электрические проводники, которые имеют электронную проводимость. Посредством анода электрический заряд втекает в аппаратуру, а катода — наоборот, истекает. На первом возникает окислительная реакция (называют восстановитель) и отсылает заряженные частицы, на втором — восстановительная реакция (называют окислитель) и принимает заряженные частицы.

Анод и катод в диоде

Если перемещение электрических проводников проходит от восстановления к окислению по цепи извне, возникает источник электроэнергии. Прибор, с помощью которого преобразовывается химическая энергия в электроэнергию, получил название «гальванический элемент».

Чтобы не возникло путаницы, стоит четко усвоить и запомнить отличие плюса и минуса в разных процессах:

В гальванотехнике химические реакции происходят внутри элемента. В электричестве извне не нуждается, так как заряд сам потечет во внешнюю цепь из элемента. В этом случаев катод — положительный, анод — отрицательный.

Схема гальванического элемента

В электролизе необходим внешний источник тока, включенный в разрыв проводника внешней цепи. Внешний источник создаст разность потенциалов между электрическими проводниками, и вне устройства будет вкачивать ток в элемент. На аноде будет плюс, а на катоде — противоположно.

Важно! Чтобы определить, катод и анод — это плюс или минус, нужно запомнить: в гальванотехнике отрицательным становится анод, а катод — положительный. У электролитов — противоположно.

Как определить что минус, а что плюс (у диода)

Особенность диодов такова, что они проводят заряд только в одном направлении. Чтобы не ошибиться, обычно на корпусе обозначены маркировки. В случае отсутствия маркировок чтобы узнать, как все-таки определить полярности анода и катода у диодов, применяют следующие методы.

1. Использование мультиметра. Прибор включается в тест-режим. Если на экране засветились цифровые значения — диод подсоединен по прямому маршруту. Красный провод идет к аноду «+», черный к катоду «-».
2. Внешние признаки:

• символы «+» и «-» на корпусе;
• ближе к аноду нанесены обозначения в форме точек или кольцевых линий;
• вытянутая форма устройства — плюс, приплюснутый — минус;

3. Включение питания. Собирается простейшая схема, которая состоит из батарейки и лампы.

Обратите внимание! Если включить лампочку, и она начнет гореть — «+» батарейки соединен с положительной полярностью, это есть анод, и прибор будет пропускать через себя ток. Если свет не загорелся, то значит, соединили с отрицательной полярностью — это катод и, соответственно, тока не будет.

4. Инструкция по эксплуатации. Производитель вместе с товаром прилагает подробную техническую документацию, где прописаны все необходимые параметры.

Определение полюсов с помощью лампочки

Заряд аккумулятора

Если взглянуть на аккумулятор или обычные батарейки, то можно заметить терминалы, отличающиеся обозначением «+» и «-», которые расположены на противоположных концах.

Аккумулятор имеет металлический или пластиковый каркас. Внутри катод сведен с положительной полярностью, а анод подключен к отрицательной полярности. Отделяет их друг от друга заслон, поэтому они не соприкасаются, а электрический заряд свободно протекает между ними. Помогает этому электролит — специальный раствор серной кислоты.

Схема заряда АКБ

Когда проходит химическая реакция заряда с электролитом на одном из электрических проводников, возникнет окислительная реакция. Если включить гальванический компонент в электросеть, электроны с анода перетекут на катод, производя функционирование пока в электролите возникают химические взаимодействия. Работать химический источник электрического тока прекратить только тогда, когда химические составляющие электролита израсходуются.

На заметку. Когда происходит разряд гальванического элемента, то анод является «-», когда заряд — катод имеет знак «+».

Применение в электронике

В электронике применяют особенности диодов впускать заряд по прямому маршруту, но не отпускать обратно.

Р-n переход тока

Работа светодиода заключается в свойстве кристаллов, которые светятся при пропускании через p-n переход тока по прямой.

В электрохимии электрические проводники необходимы при создании автономных источников питания (аккумуляторные батареи), а также при воспроизведении технологических процессов. Аноды, катоды участвуют в электролизе, электроэкстракции, гальваностегии и гальванопластике.

Гальваника — восстановления металла при химических процессах под воздействием электротока. Такая процедура приводит к устойчивости от коррозии узлов и агрегатов механизмов.

Никелевые катоды

Прецизионные сплавы

Продукция

Описание

Магнитомягкие

Магнитотвердые

С заданным ТКЛР

С заданной упругостью

С высоким эл. сопротивлением

Сверхпроводники

Термобиметаллы

Будучи изготовленными из Ni высокой чистоты, никелевые катоды позволяют использовать большое количество практически полезных свойств данного металла в других материалах. Формально описываемые полуфабрикаты можно отнести к листам, но при более детальном рассмотрении этих двух видов продукции можно заметить существенные различия в способах производства и требованиях, предъявляемых к размерам и свойствам заготовок. Тем не менее, катодный никель также получил широкое распространение в промышленности, в частности в металлургической отрасли.

В компании Метотехника можно купить никелевый катод. Для этого достаточно позвонить по телефону, отправить заявку на email или сделать заказ через сайт на странице с прайс-листом.

Подробное описание способов производства указанной продукции, марки и рекомендации по применению представлены на данной странице в соответствующих разделах.

Марки

Катоды производятся из первичного никеля Н-0, Н-1у, Н-1, Н-2, Н-3. Указанные материалы имеют в своем составе очень малое количество примесей. Содержание Ni составляет 99,9%, 99,95%, 99,93%, 99,8%, 98,6% соответственно.

Химический состав первичного никеля определен и регламентируется стандартом ГОСТ 849-97.

Производство

Никелевые катоды производятся в форме листов. Однако способ их изготовления кардинально отличается от способа производства никелевых анодов. Если последние получают в результате горячей прокатки, то основной технологической операцией для производства катодов является электролиз. Исходным сырьем для получения катодного никеля служат пластины анодного никеля, который содержит 88-92% Ni и до 17 примесей.

Из всевозможных дополнительных обработок к данному типу полуфабрикатов применяется только обрезка кромок. Травление, отжиг, закалка и прочие действия, улучшающие, как правило, механические свойства материала, не предусмотрены технологией производства.

Поскольку данная продукция не предназначена для дальнейшей обработки с целью получения конечных изделий, то не предъявляются требования по размерам и механическими свойствам никелевых катодов. ГОСТ 849-97 регламентирует состояние поставки указанных полуфабрикатов.

Применение

Никелевый катод не применяется в качестве конструкционного материала или в качестве заготовки для производства более сложных изделий. Основным преимуществом продукции является химический состав, гарантирующий высокую чистоту Ni. Поскольку этот металл обладает рядом полезных свойств, среди которых особенно стоит выделить жаропрочность, жаростойкость, коррозионную стойкость и износостойкость, он нашел широкое применение в качестве легирующей добавки в жаропрочных сплавах, жаростойких и нержавеющих сталях. При выплавке перечисленных сталей и сплавов катоды из никеля добавляются в расплав в качестве шихты.

Цены

Стоимость никелевых катодов, а также возможность заказа через сайт доступна на странице Цены.

Как определить катод и анод + описание

Как определить катод и анод + описание

Среди терминологии в сфере электрики встречаются такие понятие, как катод и анод. Это может касательно источников питания, химии, физики и гальваники. Термин может встречаться еще и в вакуумной и полупроводниковой электронике. Им можно обозначать выводы или даже контакты устройства, а еще, каким электрическим знаком они будут обладать.

В данной статье вы узнаете о том, что это такое, а еще как определить катод и анод в диоде, электролизере, у батарейки, где в них плюс, а где минус.

Гальваника и электрохимия

В сфере электрохимии есть пару основных разделов:

• Элементы гальваники – производство электрической энергии благодаря счету химической реакции. К подобным элементам можно отнести аккумуляторы и батарейки. Их также часто называют химическим токовым источником.
• Электролиз – воздействие на реакцию химического типа электрической энергией, иными словами – посредством источника питания запускается определенная реакция.

Предлагаем рассмотреть окислительно-восстановительные реакции в элементах гальванического типа, и тогда такие процессы происходят на его электродах?

• Анод – электрод, и на нем есть окислительная реакция, а именно он будет отдавать электроны. А вот электрод, на котором будет происходить окислительная реакция называется восстановлением.
• Катод – электрод, на котором будет протекать реакция восстановления, а именно он будет принимать электроны. Электрод, на котором будет реакция восстановления – называется окислителем.

Отсюда возникнет вопрос – где минус, а где плюс у батарейки? Исходя из определения, у гальванических элементов анод будет отдавать электроды.

Обратите внимание, что в ГОСТе 15596-82 дано официальная формулировка наименований вывод источников тока химического типа, если кратко, то плюс будет только на катоде, а минус на аноде.

В таком случае будет рассматриваться протекание электричества по проводнику внешних цепей от окислителя (то есть катода) к аноду, а именно к восстановителю. Так как электроны в цепи будут течь от минуса до плюса, а электричество наоборот, и в таком случае катод будет являться плюсом, а анод минусом. Кстати, ток всегда будет втекать в анод.

Подробности

Процесс электролиза или заряда аккумулятора

Такие процессы походи и обратные гальваническим элементам, так как тут не энергия попадает за счет реакции химического характера, а даже наоборот – химическая реакция будет происходить благодаря внешнему источнику электричества. В таком случае плюсом источника питания все еще будут называть катодом, а минус анодом. А вот контакты заряжаемого элемента гальваники или электроды электролизера уже способны носить противоположные наименования, и следует разобраться, почему.

Важно! При разряде элемента гальваники элемента анод является минусом, а катод плюсом, при зарядке все будет наоборот.

Так как ток от положительного вывода источника питания будет поступать на положительный вывод аккумулятора – последний кстати уже не сможет быть катодом. Ссылаясь на сказанное выше, можно сделать выводы, что в таком случае аккумуляторные электроды при зарядке символически меняют местами. В таком случае через электрод заряжаемого элемента гальваники, в который втекает ток электричества, называют анодом. Итак, при зарядке плюс аккумулятора станет анодом, а минус будет катодом.

Гальванотехника

Процессы металлического осаждения в результате реакции химического типа под действием электрического тока (при процессе электролиза) называют гальванотехникой. Получается, что мир начал получать золоченные, посеребренные, хромированные или даже покрытые иными металлами украшения, а еще детали. Такой процесс применяют в роли декоративных, а еще в прикладных целях – для того, чтобы улучшать устойчивость к коррозии разных узлов и механизмов агрегатов. Метод работы действия установок для нанесения покрытия гальванического типа будет лежать в применении растворов солей элементов, которыми станут покрывать деталь, в роли электролита.

Определить, где анод, а где катод в гальванике тоже важно. Именно в этом случае анод будет являться электродом, к которому подключаются положительный вывод источника питания, а получается, катод в таком случае станет минусом. При этом металл будет осаждаться (восстанавливаться) на минусовом электроде (речь идет про реакцию восстановления). Получается, что есть вы желаете изготовить позолоченное кольцо собственноручно – подключите к нему отрицательный вывод блочка питания и поместите в емкость с требуемым растворителем.

В электронике

Ножки или электроды полупроводниковых, а еще вакуумных электронных устройств крайне часто называют катодом и анодом. Предлагаем рассмотреть условное обозначение графического типа полупроводникового диода по схеме. Как видите, анод у диода подключают до плюса батареи. Он так называется по той причине – в такой вывод у диода в любом случае будет втекать ток. На настоящем элементе на катоде будет маркировка в воде точки или полоски. Со светодиодом все аналогично, и на 0.5 см светодиодах внутренности видны через колбу. Та половина, что больше является катодом. Аналогичным образом будет обстоять ситуация даже с тиристором, назначение вывод и однополярное использование таких трехногих компонентов делает его управляемым диодом.

У диода вакуумного типа анод тоже обычно подключается до плюса, а катод к минусу, как изображена на схеме. Хотя при приложении напряжения обратного типа – названия элементов не поменяются, несмотря на протекание электрического тока в обратном направлении, пускай даже и незначительного. С пассивными элементами, а именно конденсаторы и резисторы, дела будут обстоять иначе. У резистора не будет выделять отдельно аноды и катоды, ток в нем может начать протекать в любом направлении. Вы сможете давать любые название для его выводов, и все зависит от ситуации, а также рассмотренной схемы. У простых неполярных конденсаторов все точно также. Реже подобное разделение по наименованиям контактов будет наблюдаться в электролитических конденсаторах.

Заключение

Итак, важно подвести итоги, отвечая на вопрос – как запомнить, где плюс, а где же минус у анода и катода? Есть удобное мнемоническое правило для электролиза, аккумуляторного заряда, гальваники и приборов полупроводникового типа. У таких слов с аналогичными наименованиями одинаковое количество букв, что показано ниже. Во всех случаях, которые перечислены выше, ток будет вытекать из катода, а втекать будет в анод. Пусть вас не сбивает с толку постоянная путаница «Почему, когда у аккумулятора при заряде катод становится отрицательным, а при обычных обстоятельствах он положительный?». Следует помнить о том, что у всех элементов электроники, а еще гальванике и электрозиров – в общем у вас энергетических потребителей анодом можно называть вывод, который подключают к плюсу. На этом отличия закончатся, и теперь вам будет проще разбираться что минус, что плюс между выводами устройств и элементов. Напоследок следует посмотреть полезные видеоролике по теме статьи. Теперь вы точно знаете, что такое катод и анод, а еще запомнить их весьма быстро. Надеемся, эта информация была для вас интересной, а еще полезной.

Катоды

— обзор | ScienceDirect Topics

2.3 Катод

Катод должен содержать проводящую подложку (контактирующую с мембраной и проницаемую для протонов), на которой присутствуют активные центры адсорбции CO ₂ и электрокаталитического превращения в присутствии протонов (рис. 21.9). Основная проблема заключается в реализации селективного преобразования, поскольку потенциалы восстановления CO ₂ для различных типов продуктов весьма схожи, как показано в Таблице 21.1 [34]. Кроме того, также присутствует побочная реакция рекомбинации протонов с электронами, и, таким образом, получение высокой селективности по Фарадею и контроль селективности электрокаталитического восстановления CO ₂ до целевого продукта является сложной задачей, требующей электрокаталитического, а не электрохимического воздействия. подход. Также очевидно, что во избежание образования высокоэнергетических промежуточных продуктов необходим одновременный многоэлектронный / мультипротонный перенос, что является общим для других электрокаталитических реакций [35].

Рисунок 21.9. Фотоэлектрохимический фотоэлемент (компактная конструкция) со схемами фотокаталитических реакций на аноде (слева) и электрокаталитического восстановления CO ₂ на катоде (справа). ( CH ₂ O ) указывает на продукты гидрирования CO ₂ .

Таблица 21.1. Электродные потенциалы для полуреакций электрохимического восстановления CO ₂ .

Возможные полуреакции электрохимического CO 2 восстановления	Электродные потенциалы (V vs.SHE) при pH 7
CO 2 (г) + e — → * COO —	-1,90
CO 2 (г) + 2H + + 2e — → HCOOH (л)	−0,61
CO 2 (г) + H 2 O (л) + 2e — → HCOO — (водн.) + OH —	−0,43
CO 2 (г) + 2H + + 2e — → CO (г) + H 2 O (л)	−0.53
CO 2 (г) + H 2 O (л) + 2e — → CO (г) + 2OH —	−0,52
CO 2 (г ) + 4H + + 2e — → HCHO (л) + H 2 O (л)	−0,48
CO 2 (г) + 3H 2 O (л) + 4e — → HCHO (л) + 4OH —	−0,89
CO 2 (г) + 6H + (л) + 6e — → CH 3 OH (л ) + H 2 O (л)	−0.38
CO 2 (г) + 5 H 2 O (л) + 6e — → CH 3 OH (л) + 6OH —	−0,81
CO 2 (г) + 8H + + 8e — → CH 4 (г) + 2H 2 O (л)	−0,24
CO 2 (г) + 6H 2 O (л) + 8e — → CH 4 (г) + 8OH —	−0,25
2CO 2 (г) + 12H + + 12e — → C 2 H 4 (г) + 4H 2 O (л)	0.06
2CO 2 (г) + 8H 2 O (л) + 12e — → C 2 H 4 (г) + 12OH — 7	-0,34
2CO 2 (г) + 12H + + 12e — → CH 3 CH 2 OH (л) + 3H 2 O (л)	0,08
2CO 2 (г) + 9H 2 O (л) + 12e — → CH 3 CH 2 OH (л) + 12OH — (л)	−0.33

SHE , стандартный водородный электрод.

Авторы и права: W. Zhang, Y. Hu, L. Ma, G. Zhu, Y. Wang, X. Xue, R. Chen, S. Yang, Z. Jin, Прогресс и перспективы электрокаталитического восстановления CO ₂ для возобновляемого углеродсодержащего топлива и химикатов. Advancement of Science 5 (2017) 1700275. Авторское право: Wiley, 2018.

Одноэлектронное восстановление диоксида углерода до анион-радикала • CO ₂ ^— — легкая реакция, но высокий потенциал, необходимый для образования этого продукта, указывает на необходимость реализовать вместо этого одностадийное (прямое), а не последовательное добавление электронов / протонов, e.g., многоэлектронный перенос с образованием промежуточного продукта, представляющего возможный интерес. Например, восстановление CO ₂ до метанола включает 6e ^— и изопропанол 18e ^—. Даже если это сложно и производительность низкая, даже эта очень сложная реакция CO ₂ в изопропанол может быть реализована с селективностью [36,37], что указывает на то, что сам катализатор играет очень важную роль в определении селективного пути, который может быть практически невозможно только по электрохимическим соображениям.

Из-за конкуренции с растворителем и наличия двойного слоя электровосстановление CO ₂ в воде или органических растворителях в основном приводит к таким продуктам, как муравьиная и щавелевая кислоты, с метаном и следами углеводородов C2 с высоким потенциалом [38] . Однако эти условия приводят к быстрой дезактивации [39]. Однако при работе в газовой фазе и с наночастицами металлов, нанесенными на углеродные нанотрубки, была показана возможность образования продуктов электровосстановления> C2 из CO ₂ , включая изопропанол [37].

Обратите внимание, что термин «газовая фаза» обозначает операции без жидкого электролита, как в обычных элементах (рис. 21.3A), когда сама мембрана действует как электролит. Чтобы избежать обезвоживания мембраны, необходимо использовать электрод типа GDL (аналогичный тем, что используются в топливных элементах PEM). При этих «газофазных» операциях поведение отличается от поведения тех же электродов, работающих в присутствии жидкого электролита, например, в обычных элементах [40,41].Это связано с более высоким покрытием поверхности хемосорбированным CO ₂ над электродом.

Усиливая этот эффект, например, вводя компонент, способный усилить адсорбцию CO ₂ в GDL, можно увеличить образование ≥C2 продуктов при электрокаталитическом восстановлении CO ₂ даже при электрокатализаторы, которые считаются неспособными образовывать связь C – C при восстановлении CO ₂ [42]. Этот результат вносит изменения в представление о каталитической электрохимии конверсии CO ₂ .Хотя есть много заявлений об уникальных свойствах меди, в частности определенных кристаллических фаз, таких как Cu (100), в образовании продуктов C2 [43–45], приведенный результат подчеркивает, что поверхностная концентрация CO ₂ на электроде поверхность определяет путь трансформации. Это зависит от характеристик электрокатализатора, но особенно от конкретных условий эксплуатации. Это также влияет на механизм реакции. Хотя образование поверхностных димеров CO считается ключевым этапом в образовании связей C – C во время электрокаталитического восстановления CO ₂ [44–46], экспериментальные исследования механизма электрокаталитического восстановления CO ₂ до ацетата (таким образом, C2) доказывают наличие другого механизма реакции [47], включающего необходимость растворения CO ₂ с образованием уксусной кислоты, вероятно, посредством реакции анион-радикала • CO ₂ ^— с адсорбированным на поверхности — CH ₃ -подобных видов.Путь к муравьиной кислоте вместо этого отличается от пути образования уксусной кислоты [47].

Представленная на рис. 21.6 концепция элемента компактного типа может быть расширена за счет разработки электрокатализаторов на основе меди для восстановления CO ₂ . Путем изготовления электродов Cu ₂ O / GDL методом электроосаждения и соединения с фотоанодом CuO / NtTiO ₂ , представленным на рис. 21.6, можно реализовать компактную полную ячейку PEC [48] с использованием только некритичных исходных материалов и низкого давления. -дорогие, легко масштабируемые процедуры.Схема этого ПЭК солнечного элемента для окисления воды на стороне фотоанода и восстановления CO ₂ на стороне катода показана на рис. 21.10. Обратите внимание, что он действует без внешней предвзятости и использования жертвенных агентов.

Рисунок 21.10. Схема фотоэлектрохимического полноэлементного реактора компактной конструкции, используемого для окисления воды на стороне фотоанода и восстановления CO ₂ на стороне катода без внешнего смещения и использования жертвенных агентов. Электроды изготовлены из материалов, богатых землей.

Авторы и права: Графический аннотация в J. Ferreira de Brito, C. Genovese, F. Tavella, C. Ampelli, MV Boldrin Zanoni, G. Centi, S. Perathoner, CO ₂ восстановление гибрида Cu ₂ O – Cu / электроды газодиффузионного слоя и их интеграция в фотоэлектрокаталитическую ячейку на основе меди, ChemSusChem 12 (2019) 4274–4284. https://doi.org/10.1002/cssc.2012. Авторские права: Wiley VCH, 2019.

В экспериментах PEC без внешнего смещения и использования жертвенных агентов и 24-часовой работы общая фарадеевская селективность по углероду составляла около 90%, с примерно 75% фарадеевской селективностью по ацетату, другим продуктом являлся формиат. .При 24-часовой работе наблюдалась стабильная плотность тока 0,2 мА. Происходит трансформация электрода Cu ₂ O / GDL in situ, приводящая к образованию гибридной системы Cu ₂ O – Cu / GDL. Тот же электрод дает в электрокаталитических испытаниях восстановления CO ₂ при -1,5 В высокую общую селективность по Фарадею (> 95%), но с селективным образованием формиата (селективность около 80%), а не ацетата. Разница между электрокаталитическими испытаниями и испытаниями в ячейке PEC происходит из-за разного потенциала, приложенного к катоду, равного -1.5 В при электрокаталитических испытаниях и ниже, определенное с фотоанода, при испытаниях PEC. Этот результат также подчеркивает, как характеристики одних и тех же электродов могут измениться при тестировании отдельно или при интеграции в полноценное устройство PEC.

Таким образом, остается несколько вопросов о механизме реакции электрокаталитического восстановления CO ₂ , но общее наблюдение состоит в том, что пути реакции явно сильно зависят от поверхностной популяции частиц, адсорбированных на действующем электрокатализаторе, которые в Очередь сильно зависит от конкретных условий электрокаталитических операций.Без учета этих аспектов многие из текущих механистических исследований, в том числе теоретических подходов, не в состоянии понять эффективные возможности управления электрокаталитической химией. В то же время необходимо учитывать эти аспекты при проектировании и эксплуатации солнечных элементов PEC, и традиционные типы элементов могут не использовать эти аспекты, что приводит к оценке материалов в некорректных условиях с точки зрения как применимость, как отмечено выше и более подробно обсуждается в другом месте [26], так и использование всех возможностей, предоставляемых поверхностной электрокаталитической химией, обсужденной выше.

Как определить анод и катод

Вот посмотрите на разницу между анодом и катодом элемента или батареи и как вы можете запомнить, что есть что.

Держать их прямыми

Помните, что cat hode привлекает cat hode или ca t hode притягивает заряд + . Ода n притягивает исходный заряд n .

Поток тока

Анод и катод определяются течением тока.В общем смысле ток относится к любому движению электрического заряда. Тем не менее, вы должны иметь в виду соглашение о том, что направление тока соответствует тому, куда будет двигаться положительный заряд , а не отрицательный заряд. Итак, если электроны действительно совершают , перемещая в ячейке, тогда ток течет в противоположном направлении. Почему это так определяется? Кто знает, но это стандарт. Ток течет в том же направлении, что и носители положительного заряда, например, когда положительные ионы или протоны несут заряд.Ток течет в противоположном направлении от отрицательных носителей заряда, таких как электроны в металлах.

Катод

• Катод — это отрицательно заряженный электрод.
• Катод притягивает катионы или положительный заряд.
• Катод является источником электронов или донором электронов. Он может принимать положительный заряд.
• Поскольку катод может генерировать электроны, которые обычно представляют собой электрические компоненты, совершающие фактическое движение, можно сказать, что катоды генерируют заряд или что ток движется от катода к аноду.Это может сбивать с толку, потому что направление тока будет определяться тем, как будет двигаться положительный заряд. Просто помните, любое движение заряженных частиц — это ток.

Анод

• Анод — это положительно заряженный электрод.
• Анод притягивает электроны или анионы.
• Анод может быть источником положительного заряда или акцептором электронов.

Катод и анод

Помните, что заряд может течь как от положительного к отрицательному, так и от отрицательного к положительному! Из-за этого анод может быть заряжен положительно или отрицательно, в зависимости от ситуации.То же самое и с катодом.

Источники

• Durst, R .; Baumner, A .; Murray, R .; Buck, R .; Андрие, К. (1997) «Химически модифицированные электроды: Рекомендуемая терминология и определения». ИЮПАК. pp 1317–1323.
• Росс, С. (1961). «Фарадей консультирует ученых: происхождение терминов электрохимии». Примечания и записи Лондонского королевского общества n. 16: 187–220. DOI: 10.1098 / RSNR.1961.0038

Руководство по выбору катодных эмиттеров и нитей накала

Катоды обычно представляют собой отрицательно заряженные электроды, используемые в:

• батареи
• системы электролиза
• покрытие
• электролизер
• электронная эмиссия
• прочие специализированные процессы

Существует заблуждение, что катоды всегда отрицательны, но на самом деле полярность катода в основном зависит от типа устройства и даже может варьироваться в зависимости от режима работы в соответствии с электрическим током, универсальным определением на основе направления.Во всех электрохимических устройствах положительно заряженные катионы движутся к катодам. Катоды — это электрод электрохимической ячейки, на которой происходит восстановление. Электрический ток выходит из катодов, которые затем притягивают положительные заряды или положительные ионы. Катоды будут отдавать электроны положительным ионам металла, что приведет к осаждению иона металла на катодах или части, электрически связанной с катодами. В то время как отрицательно заряженные ионы движутся от катодов к положительному аналогу, называемому анодом.

Приложения

Катоды используются исключительно в гальванических элементах, которые состоят из анода, катодов и, по крайней мере, одного водного раствора электролита. Раствор электролита может варьироваться в зависимости от системы или локально. Гальванические элементы играют важную роль в аккумуляторных батареях, гальванике и коррозии. Катоды испускают электроны в системах распыления, электронно-лучевых трубках и других системах с вакуумными трубками. Другие типы оборудования, в котором широко используются катоды, предназначены для высвобождения электронов из катода с помощью сильных электрических полей, тепла или электромагнитного излучения, как, соответственно, автоэлектронная эмиссия, термоэлектронная эмиссия и фотоэлектрическая эмиссия.Также распространены холодные катоды и горячие катоды; Катоды, используемые для автоэлектронной эмиссии в электронных лампах, называются холодными катодами, тогда как катоды, используемые в качестве нагретых электродов или нитей, называются горячими катодами.

Характеристики

Катоды

обладают несколькими особенностями. В системе распыления положительные ионы аргона падают на мишень, прикрепленную к катоду. Целевые ионы вытесняются и транспортируются к подложке для осаждения. Источники с распыляющими катодами обычно содержат магнетроны для создания сильных электрических и магнитных полей, улавливающих электроны близко к поверхности мишени и генерирующих мощную плазму.Топливные элементы также содержат специальные катоды и катодные материалы. Катоды — это электроды окислителя в топливном элементе, где газообразный кислород (O2) преобразуется в ионы кислорода, которые могут перемещаться через электролит. Катоды широко используются в аккумуляторах, системах электролиза, гальванических покрытиях, электрохимических устройствах, топливных элементах, электролизе, электронной эмиссии, физическом осаждении из паровой фазы (PVD), напылении и других специализированных процессах.

Связанная информация

IEEE Spectrum — Наноматериалы улучшают как анод, так и катод литий-ионных батарей

IEEE Spectrum — трехмерная наноструктура для катодов в батареях может означать, что сотовые телефоны заряжаются за секунды

Подпись к изображению:

Дорин Л.Wynja / CC BY-SA 3.0

Что такое катод? — Определение из Corrosionpedia

Что означает катод?

Катод — это электрод, через который отрицательно заряженные электроны входят в устройство или систему из внешней цепи в случае электролитической ячейки, или он является источником электронов в электронном клапане. В случае первичной ячейки терминал может иметь положительный заряд.

Изучение катодов важно, потому что они являются основой электрических, электронных и электрохимических исследований процессов, которые имеют фундаментальное значение для научных приложений, включая предотвращение коррозии.

Corrosionpedia объясняет катод

Катод имеет два основных значения в двух различных ситуациях:

• В электролитической ячейке вывод катода соединен с отрицательным выводом источника питания, притягивая положительно заряженные частицы.
• В гальваническом элементе катод — это вывод, на который подается положительный заряд из-за электрохимической реакции, как в случае батареи.

Процесс коррозии требует наличия как катода, так и анода, а также электролита. Большинство типов коррозии, за исключением некоторых форм высокотемпературной коррозии, возникают из-за образования электрохимических ячеек. Ячейка для защиты от коррозии имеет анод, на котором происходит химическая реакция или окисление, в результате чего происходит истощение или разрушение материала, катодный вывод, на котором происходит реакция восстановления, и параллельные проводящие металлические и электролитические пути потока, соединяющие анод и катод, через которые проходят электроны и ионы. .Разность потенциалов поддерживается реакцией между катодом и анодом, чтобы обеспечить непрерывность ячейки. Возникновение потенциала может быть связано с характеристиками металлов, состоянием поверхности и концентрацией химических веществ в окружающей среде.

В некоторых коррозионных ячейках электроны могут течь по проводящему металлическому пути от участка поверхности, где происходят анодные химические реакции на поверхностях, где возможны катодные реакции. Заряженные частицы проходят через электролит, чтобы обеспечить баланс потока электронов.Анионы текут в направлении анода, а катионы текут в направлении катода, чтобы поддерживать разность потенциалов. В результате анод подвергается коррозии из-за продолжающейся электрохимической реакции, в то время как катод не подвергается коррозии.

В электрической цепи катод отличается от анода на основе направления тока. Электрический ток означает движение электрического заряда. Согласно этому соглашению направление тока зависит от того, как движется положительный заряд, а не от того, как движутся отрицательный заряд или электроны.Итак, если электроны движутся в ячейке в одном направлении, то, по соглашению, ток течет в противоположном направлении. Таким образом, катод представляет собой отрицательно заряженный электрод, притягивающий положительный заряд и являющийся источником избыточных электронов.

определение катодов по The Free Dictionary

cath · ode

(kăth′ōd ′) n. Сокр. ka

1. Отрицательно заряженный электрод, например, электролитической ячейки, аккумуляторной батареи, диода или электронной лампы.

2. Положительно заряженная клемма первичного элемента или аккумуляторной батареи, которая подает ток.

---

[греч. Катодос, происхождение : кат-, ката-, като- + ходос, путь, путь .]

---

ка · тод’ик (ка-тŏд’ĭк) прил. .

ca · thod′i · cal·ly нар.

Словарь английского языка American Heritage®, пятое издание. Авторские права © 2016 Издательская компания Houghton Mifflin Harcourt.Опубликовано Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.

катод

(ˈkæθəʊd) n

1. (Общая физика) отрицательный электрод в электролитической ячейке; электрод, с помощью которого электроны входят в устройство из внешней цепи

2. (General Physics) отрицательно заряженный источник электронов в электронном клапане

3. (General Physics) положительный вывод первичной ячейки

[C19: от греческого катодос спуск, от катодос вниз + ходос путь]

катодный , катодный , катодный прил. Издание 2014 г. © HarperCollins Publishers 1991, 1994, 1998, 2000, 2003, 2006, 2007, 2009, 2011, 2014

cath • ode

(kæθ oʊd)

n.

1. электрод или вывод, через который ток покидает электролитический элемент, гальванический элемент, батарею и т. Д.

2. положительный вывод гальванического элемента или батареи.

3. отрицательный вывод, электрод или элемент электронной лампы или электролитической ячейки.

[1825–35; <Греческий káthodos путь вниз]

ca • thod′ic (kæˈθɒd ɪk) прил.

Словарь колледжа Кернермана Вебстера Random House, © 2010 K Dictionaries Ltd.Авторские права 2005, 1997, 1991, Random House, Inc. Все права защищены.

cath · ode

(kăth′ōd ′)

1. Отрицательный электрод в электролитической ячейке, к которому притягиваются положительно заряженные частицы. Катод имеет отрицательный заряд, потому что он подключен к отрицательно заряженному концу внешнего источника питания.

2. Положительный электрод в гальваническом элементе, таком как батарея, к которому притягиваются отрицательно заряженные частицы.Катод получает свой положительный заряд в результате химической реакции, которая происходит внутри батареи, а не от внешнего источника. Сравните анод.

Студенческий научный словарь American Heritage®, второе издание. Авторские права © 2014 Издательская компания Houghton Mifflin Harcourt. Опубликовано Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.

катод

1. Электрод, несущий отрицательный заряд в растворе, подвергаемом электролизу.

2. Отрицательный электрод.

Словарь незнакомых слов от Diagram Group Авторские права © 2008, Diagram Visual Information Limited

Размышления о химии катода литий-ионных батарей

1.

Арманд, М. и Тараскон, Дж. М. Создание лучших батарей. Природа 451 , 652–657 (2008).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

2.

Manthiram, A. Взгляд на технологию литий-ионных батарей. САУ Cent. Sci. 3 , 1063–1069 (2017).

Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

3.

Гуденаф, Дж. Б. и Парк, К.-С. Литий-ионная аккумуляторная батарея: перспектива. J. Am. Chem. Soc. 135 , 1167–1176 (2013).

Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

4.

Whittingham, M. S. и Jacobson, A. J. Intercalation Chemistry (Academic Press, New York, 1982).

Google Scholar

5.

Аронсон, С., Сальцано, Ф. Дж. И Беллафиоре, Д. Термодинамические свойства пластинчатых соединений калий-графит на основе измерений ЭДС в твердом состоянии. J. Chem. Phys. 49 , 434–439 (1968).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

6.

Gamble, F. R. et al. Интеркаляционные комплексы оснований Льюиса и слоистых сульфидов: большой класс новых сверхпроводников. Наука 174 , 493–497 (1971).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

7.

Томпсон, А. Х. Электрон-электронное рассеяние в TiS ₂ . Phys. Rev. Lett. 35 , 1786–1789 (1975).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

8.

Уиттингем, М.С. Накопление электрической энергии и химия интеркаляции. Science 192 , 1126–1127 (1976).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

9.

Кох В.Р. Состояние вторичного литиевого электрода. J. Источники энергии 6 , 357–370 (1981).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

10.

Брандт, К. Историческое развитие вторичных литиевых батарей. Твердотельный ион. 69 , 173–183 (1994).

Артикул CAS Google Scholar

11.

Гуденаф, Дж. Б. Оксиды металлов. Прог. Solid State Chem. 5 , 145–399 (1971).

Артикул CAS Google Scholar

12.

Мидзусима, К., Джонс, П.К., Вайзман, П. Дж. И Гуденаф, Дж. Б. Ли _x CoO ₂ (0 Mater. Res. Бык. 15 , 783–798 (1980).

Артикул CAS Google Scholar

13.

Nishizawa, M., Yamamura, S., Itoh, T. & Uchida, I. Необратимое изменение проводимости Li _{1 – x} CoO ₂ при электрохимическом введении / извлечении лития, желательно для аккумуляторных батарей . Chem. Связь . 1631 (1998).

14.

Chebiam, RV, Prado, F. & Manthiram, A. Мягкий химический синтез и характеристика слоистого Li _{1 − x} Ni _{1 − y} Co _y O _{2 − δ} (0 ≤ x ≤ 1 и 0 ≤ y ≤ 1). Chem. Матер. 13 , 2951–2957 (2001).

Артикул CAS Google Scholar

15.

Chebiam, R.V, Kannan, A.M., Prado, F. & Manthiram, A.Сравнение химической стабильности катодов с высокой плотностью энергии литий-ионных аккумуляторов. Electrochem. Commun. 3 , 624–627 (2001).

Артикул CAS Google Scholar

16.

Venkatraman, S., Shin, Y. & Manthiram, A. Фазовые отношения, структурная и химическая стабильность заряженного Li _{1 − x} CoO _{2 − δ} и Li _1-x Ni _0,85 Co _0,15 O _2-δ . Electrochem. Solid State Lett. 6 , A9 – A12 (2003).

Артикул CAS Google Scholar

17.

Брюс П. и Армстронг А. Р. Синтез слоистого LiMnO ₂ в качестве электрода для перезаряжаемых литиевых батарей. Nature 381 , 499–500 (1996).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

18.

DePicciotto, L.А., Теккерей, М. М., Дэвид, В. И. Ф., Брюс, П. Г. и Гуденаф, Дж. Б. Структурная характеристика делитированного LiVO ₂ . Mater. Res. Бык. 19 , 1497–1506 (1984).

Артикул CAS Google Scholar

19.

Датта, Г., Мантирам, А. и Гуденаф, Дж. Б. Химический синтез и свойства Li _{1 − δ − x} Ni _{1 + δ} O ₂ и Li [Ni ₂ ] О ₄ . J. Solid State Chem. 96 , 123–131 (1992).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

20.

Rougier, A., Gravereau, P. & Delmas, C. Оптимизация состава Li _{1 − z} Ni _{1 + z} O ₂ материалы электродов: конструкционные, магнитные и электрохимические исследования. J. Electrochem. Soc. 143 , 1168–1175 (1996).

Артикул CAS Google Scholar

21.

Теккерей, М.М., Дэвид, Виф и Гуденаф, Дж. Б. Структурная характеристика литированных оксидов железа Li _x Fe ₃ O ₄ и Li _x Fe ₂ O ₃ (0 Mater. Res. Бык. 17 , 785–793 (1982).

Артикул CAS Google Scholar

22.

Теккерей М. М., Дэвид В. И. Ф., Брюс П. Г. и Гуденаф Дж. Б.Введение лития в марганцевые шпинели. Mater. Res. Бык. 18 , 461–472 (1983).

Артикул CAS Google Scholar

23.

Теккерей М. М. Структурные аспекты слоистых и литиированных оксидов шпинели для литий-ионных батарей. J. Electrochem. Soc. 142 , 2558–2563 (1995).

Артикул CAS Google Scholar

24.

Gummow, R.J., de Kock, A. & Thackeray, M.M. Улучшенное сохранение емкости в перезаряжаемых литиевых / литий-марганцевых (шпинельных) элементах 4 В. Твердотельный ион. 69 , 59–67 (1994).

Артикул CAS Google Scholar

25.

Чой В. и Мантирам А. Сравнение растворения ионов металлов на катодах литий-ионных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 153 , A1760 – A1764 (2006).

Артикул CAS Google Scholar

26.

Хантер, Дж. С. Получение новой кристаллической формы диоксида марганца: λ-MnO ₂ . J. Solid State Chem. 39 , 142–147 (1981).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

27.

Chun Zhan, C. et al. Осаждение Mn (II) на анодах и его влияние на уменьшение емкости в системах шпинелевый манганат лития – углерод. Nat. Commun. 4 , 2437 (2013).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

28.

де Пиччиотто, Л. А. и Теккерей, М. М. Реакции введения / экстракции лития с LiV ₂ O ₄ . Mater. Res. Бык. 20 , 1409–1420 (1985).

Артикул Google Scholar

29.

Thomas, M. G.С. Р., Дэвид, В. И. Ф., Гуденаф, Дж. Б. и Гровс, П. Синтез и структурная характеристика нормальной шпинели Li [Ni ₂ ] O ₄ . Mater. Res. Бык. 20 , 1137–1146 (1985).

Артикул CAS Google Scholar

30.

Choi, S. & Manthiram, A. Синтез и электрохимические свойства LiCo ₂ O ₄ катодов из шпинели. J. Electrochem. Soc. 149 , A162 – A166 (2002).

Артикул CAS Google Scholar

31.

Kan, WH, Huq, A. & Manthiram, A. Низкотемпературный синтез, структурные характеристики и электрохимия Ni-богатого шпинелоподобного LiNi _{2 – y} Mn _y O ₄ (0,4 ≤ y ≤ 0,1). Chem. Матер. 27 , 7729–7733 (2015).

Артикул CAS Google Scholar

32.

Чжун К., Бонакдарпур А., Чжан М., Гао Ю. и Дан Дж. Р. Синтез и электрохимия LiNi _x Mn _{2 − x} O ₄ . J. Electrochem. Soc. 144 , 205–213 (1997).

Артикул CAS Google Scholar

33.

Manthiram, A., Chemelewski, K. & Lee, E.-S. Взгляд на высоковольтный катод из шпинели LiMn _1,5 Ni _0,5 O ₄ для литий-ионных аккумуляторов. Energy Environ. Sci. 7 , 1339–1350 (2014).

Артикул CAS Google Scholar

34.

Gopalakrishnan, J. & Manthiram, A. Топохимически контролируемое восстановление водородом молибдатов редкоземельных металлов, связанных с шеелитом. Dalton Trans. 3 , 668–672 (1981).

Артикул Google Scholar

35.

Manthiram, A.И Гуденаф, Дж. Б. Введение лития в каркасы Fe ₂ (MO ₄ ) ₃ : сравнение M = W с M = Mo. J. Solid State Chem. 71 , 349–360 (1987).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

36.

Мантирам А. и Гуденаф Дж. Б. Введение лития в каркас Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ . J. Источники энергии 26 , 403–406 (1989).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

37.

Manthiram, A., Swinnea, JS, Sui, ZT, Steinfink, H. & G динаф, JB Влияние изменения кислорода на кристаллическую структуру и фазовый состав сверхпроводника YBa ₂ Cu ₃ О _{7 − x} . J. Am. Chem. Soc. 109 , 6667–6669 (1987).

Артикул CAS Google Scholar

38.

Ахуджа, Г. Исследование некоторых вводимых соединений лития. Кандидат наук. Диссертация, Глава 5, стр. 92–114, Техасский университет в Остине (1991).

39.

Padhi, A. K., Nanjundaswamy, K. S. & G динаф, J. B. Фосфо-оливины в качестве материалов положительных электродов для литиевых аккумуляторных батарей. J. Electrochem. Soc. 144 , 1188–1194 (1997).

Артикул CAS Google Scholar

40.

Masquelier, C. & Croguennec, L. Полианионные (фосфаты, силикаты, сульфаты) каркасы в качестве электродных материалов для перезаряжаемых Li (или Na) батарей. Chem. Ред. 113 , 6552–6591 (2013).

Артикул CAS Google Scholar

41.

Huang, H., Yin, SC, Kerr, T., Taylor, N. & Nazar, LF Наноструктурированные композиты: высокая емкость, высокая скорость Li ₃ V ₂ (PO ₄ ) ₃ / угольный катод для литиевых аккумуляторных батарей. Adv. Матер. 14 , 1525–1528 (2002).

Артикул CAS Google Scholar

42.

Jian, Z. et al. Углеродистый Na ₃ V ₂ (PO ₄ ) ₃ в качестве нового электродного материала для ионно-натриевых батарей. Electrochem. Commun. 14 , 86–89 (2012).

Артикул CAS Google Scholar

43.

Говер, Р. К. Б., Брайан, А., Бернс, П. и Баркер, Дж. Электрохимические вставляемые свойства фторофосфата натрия и ванадия, Na ₃ V ₂ (PO ₄ ) ₂ F ₃ . Твердотельный ион. 177 , 1495–1500 (2006).

Артикул CAS Google Scholar

44.

Нитта, Н., Ву, Ф., Ли, Дж. Т. и Юшин, Г. Материалы литий-ионных аккумуляторов: настоящее и будущее. Mater. Сегодня 18 , 252–264 (2015).

Артикул CAS Google Scholar

45.

Даути, Д. Х. и Рот, Э. П. Общее обсуждение безопасности литий-ионных аккумуляторов. Electrochem. Soc. Интерфейс 21 , 37–44 (2012).

CAS Google Scholar

46.

Dunn, B., Kamath, H. & Tarascon, J.-M. Накопитель электроэнергии для сети: батарея выбора. Наука 334 , 928–935 (2011).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

47.

Kim, J. S. et al. Электрохимические и структурные свойства xLi ₂ M′O ₃ . (1 − x) LiMn _0,5 Ni _0,5 O ₂ электродов для литиевых батарей (M ′ = Ti, Mn, Zr; 0 ≤ x ≤ 0,3). Chem. Матер. 14 , 1996–2006 (2004).

Артикул CAS Google Scholar

48.

Армстронг, A. R. et al. Демонстрация потери кислорода и связанной с этим структурной реорганизации в катоде литиевой батареи Li [Ni _0,2 Li _0,2 Mn _0,6 ] O ₂ . J. Am. Chem. Soc. 128 , 8694–8698 (2006).

Артикул CAS Google Scholar

49.

Assat, G. & Tarascon, J.-M. Фундаментальное понимание и практические проблемы анионной окислительно-восстановительной активности в литий-ионных батареях. Nat. Энергетика 3 , 373–386 (2018).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

50.

Li, W., Erickson., E. & Manthiram, A. Катоды из слоистого оксида с высоким содержанием никеля для автомобильных аккумуляторов на литиевой основе. Nat. Энергетика 5 , 26–24 (2020).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

51.

Li, W. et al.Динамическое поведение межфазных границ и его влияние на катодные материалы с высокой плотностью энергии в литий-ионных батареях. Nat. Commun. 8 , 14589 (2017).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ PubMed PubMed Central Google Scholar

52.

Li, W. et al. Mn по сравнению с Al в слоистых оксидных катодах в литий-ионных батареях: всесторонняя оценка долгосрочной циклируемости. Adv. Energy Mater. 8 , 1703154 (2018).

Артикул CAS Google Scholar

53.

Li, J. & Manthiram, A. Комплексный анализ межфазной и структурной эволюции при длительном циклировании сверхвысоких никелевых катодов в литий-ионных батареях. Adv. Energy Mater. 9 , 11 (2019).

Артикул CAS Google Scholar

54.

Zou, L. et al. Решетчатое легирование регулирует межфазные реакции в катоде для повышения стабильности при циклировании. Nat. Commun. 10 , 3447 (2019).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

55.

You, Y., Celio, H., Li, J., Dolocan, A. & Manthiram, A. Стабильный химический состав поверхности модифицированных катодов с высоким содержанием никеля для литий-ионных аккумуляторов по отношению к окружающему воздуху. Angew. Chem. Int. Эд. 57 , 6480–6485 (2018).

Артикул CAS Google Scholar

56.

Джи, Х., Ли, К. Т. и Назар, Л. Ф. Высокоупорядоченный наноструктурированный углерод-серный катод для литий-серных батарей. Nat. Матер. 8 , 500–506 (2009).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

57.

Брюс, П. Г., Фрейнбергер, С. А., Хардвик, Л. Дж. И Тараскон, Дж. М. Li-O ₂ и Li-S батареи с высоким накопителем энергии. Nat. Матер. 11 , 19–29 (2012).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ CAS Google Scholar

58.

Chung, S.-H. И Мантирам, А. Текущее состояние и перспективы развития металло-серных батарей. Adv. Матер. 31 , 1_{5 (2019).}

Артикул CAS Google Scholar

59.

Бхаргав А., Хе Дж., Гупта А. и Мантирам А. Литий-серные батареи: достижение критических показателей. Джоуль 4 , 285–291 (2020).

Артикул Google Scholar

Разработка сильноточного полого катода | Лаборатория электродвижения и динамики плазмы

Что такое полые катоды с отверстиями?

Полые катоды являются важным компонентом большинства космических электрических двигательных установок. Полые катоды действуют как нейтрализаторы и источники плазмы для двигателей Холла и ионных двигателей и влияют на срок службы, максимальную мощность разряда и характеристики этих двигателей.2 \)), сохраняя при этом длительный срок службы. Нейтральный газ (например, ксенон) подается во входной конец катодной полости; испускаемые электроны ионизируют газ по мере его движения вниз по потоку. Эта ионизация создает плотную плазму в области вставки, которая предотвращает эмиссию, ограниченную пространственным зарядом, и позволяет поверхности эмиттера работать при высоких плотностях тока. Схематический чертеж типичного полого катода показан ниже.

Рисунок 1 — Схема катода.

Ориентированные полые катоды используются вместо катодов со сплошной нитью или одноканальных катодов из-за их способности обеспечивать высокую плотность электронного тока при относительно низких напряжениях и температурах, требуя меньше энергии, а также обеспечивая более длительный срок службы. Ориентированные полые катоды работают при более высоком давлении по сравнению с одноканальными полыми катодами при том же массовом расходе, который подавляет напряжение оболочки и предотвращает ограничение объемного заряда.

---

Мотивация

Полые катоды — один из последних оставшихся компонентов с ограниченным сроком службы современных двигателей Холла и ионных двигателей. По мере того, как полеты становятся более требовательными (например, двигатели мощностью 100-200 кВт) и становятся доступными более мощные источники энергии, полые катоды быстро исчерпывают свои возможности. Будущие полые катоды должны будут выдерживать гораздо более высокие токи разряда (до 600-700 А), а недавно предложенные миссии требуют, чтобы срок службы примерно вдвое превышал срок службы самых длительных испытаний на сегодняшний день.

Стратегия достижения этих целей включает создание и тестирование новых концепций полого катода, которые снижают пиковую плотность тока при сохранении того же тока разряда. Пиковая плотность тока ограничивает срок службы катода, поскольку напрямую связана с максимальной скоростью испарения эмиттера. Снижение пиковой плотности тока при сохранении того же тока разряда увеличивает срок службы для данных рабочих условий.Одна из концепций, разработанных EPPDyL для достижения этой цели, — это полый катод с ВЧ-управлением (RF-CHC).

---

Текущая работа

Недавняя работа сосредоточена на теоретическом понимании механизмов, влияющих на длину прикрепления плазмы. Мы представили обзор существующих теоретических моделей на 53-й конференции AIAA Joint Propulsion Conference в 2017 году. Для разработки новых катодов без использования экспериментальных данных необходимо фундаментальное понимание масштабирования длины плазменной насадки и других рабочих параметров.Новые концепции, такие как полый катод с ВЧ-управлением, также полагаются на понимание этого поведения, чтобы продемонстрировать улучшения в производительности.

Мы разработали несколько законов масштабирования для фундаментальных величин плазмы (температура электронов, длина присоединения, полное давление) на основе эмпирического анализа полного давления внутри катодов и новой модели 0-D. Эмпирический анализ и теоретическая модель были представлены на форумах AIAA по двигательным установкам и энергии в 2018 и 2019 годах.Законы масштабирования были представлены для длины насадки и температуры электронов на Международной конференции по электрическому движению в 2019 году.

Чтобы облегчить повторяемые эксперименты с большими полыми катодами, мы разработали мощный графитовый нагреватель, который обеспечивает надежное зажигание и способен обеспечивать на порядок большую мощность, чем существующие конструкции. Нагреватель показан на Рисунке 2 ниже. С помощью этого прототипа нагревателя мы смогли эксплуатировать наш большой полый катод, используя несколько ракетных топлив в большом диапазоне разрядных токов, до 400 А, как показано на рисунке 3.

Рисунок 2 — Графитовый нагреватель. Рисунок 3 — Работа катода на аргоне (слева; 400 А), азоте (в центре; 40 А) и ксеноне (справа; 380 А).

Прошлые работы: полый катод с ВЧ-управлением (RF-CHC)

Эта концепция связывает высокочастотную или микроволновую энергию с полым катодом большого диаметра в попытке контролировать осевой профиль плотности плазмы. Концепция RF-CHC была впервые представлена ​​на 48-й конференции AIAA Joint Propulsion Conference в 2012 году, а численное моделирование концепции было представлено на 49-й конференции AIAA Joint Propulsion Conference в июле 2013 года.Мы представили наши первые экспериментальные результаты RF-CHC на 33-й Международной конференции по электродвигателям в октябре 2013 года.