इलेक्ट्रोड

एक इलेक्ट्रोड, एक विद्युत कंडक्टर होता है जिसका उपयोग सर्किट के गैर-धातु भाग (जैसे अर्धचालक, इलेक्ट्रोलाइट, वैक्यूम या वायु) के साथ संपर्क बनाने के लिए किया जाता है। इलेक्ट्रोड बैटरी के आवश्यक भाग होते हैं, जिनमें, बैटरी के प्रकार के आधार पर, विभिन्न प्रकार की सामग्री शामिल हो सकती है।

इलेक्ट्रोफोर, स्थैतिक बिजली का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले इलेक्ट्रोड का प्रारंभिक संस्करण था।[1]

विद्युत रासायनिक कोशिकाओं में एनोड और कैथोड
इलेक्ट्रोड किसी भी बैटरी का एक अनिवार्य हिस्सा हैं। बनाई गई पहली इलेक्ट्रोकेमिकल बैटरी एलेसेंड्रो वोल्टा द्वारा तैयार की गई थी और इसे उपयुक्त रूप से वोल्टाइक सेल नाम दिया गया था [2] इस बैटरी में तांबे और जस्ता इलेक्ट्रोड के ढेर शामिल थे जो नमकीन पेपर डिस्क द्वारा अलग किए गए थे। वोल्टाइक सेल द्वारा प्रदान किए गए वोल्टेज में उतार-चढ़ाव के कारण यह बहुत व्यावहारिक नहीं था। पहली व्यावहारिक बैटरी का आविष्कार 1839 में किया गया था, अभी भी जिंक-कॉपर इलेक्ट्रोड संयोजन का उपयोग कर रहा है। तब से विभिन्न सामग्रियों का उपयोग करके कई और बैटरियों का विकास किया गया है (बैटरियों की सूची देखें)। इन सभी का आधार, अभी भी दो इलेक्ट्रोड का उपयोग करना है, जिन्हें दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: एनोड और कैथोड।

एनोड
एनोड, वह इलेक्ट्रोड है जिसके माध्यम से पारंपरिक विद्युत एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल (बैटरी) के विद्युत सर्किट से गैर-धातु सेल में प्रवेश करता है। इलेक्ट्रॉन तब बैटरी के दूसरी तरफ प्रवाहित होते हैं। धारा के प्रवाह और इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह में अंतर नोट करें, यह इलेक्ट्रॉन की खोज से पहले धारा के प्रवाह की खोज के कारण है। ऐसी स्थिति में, ये अनुमान लगाया जा सकता है की विद्युत प्रवाह सकारात्मक से नकारात्मक में चला गया है। {4}इलेक्ट्रॉन एनोड से दूर और पारंपरिक धारा की ओर बहते हैं। दोनों से यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि एनोड का आवेश, ऋणात्मक है। एनोड, में प्रवेश करने वाला इलेक्ट्रॉन, उसके बगल में होने वाली ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया से आता है।

कैथोड
कैथोड, कई मायनों में एनोड के विपरीत है। यह सकारात्मक इलेक्ट्रोड है, जिसका अर्थ है विद्युत सर्किट से कैथोड के माध्यम से इलेक्ट्रोकेमिकल सेल के गैर-धातु भाग में इलेक्ट्रॉन। कैथोड पर, कैथोड से जुड़े तार से आने वाले इलेक्ट्रॉनों के साथ कमी प्रतिक्रिया होती है और ऑक्सीकरण एजेंट द्वारा अवशोषित कर ली जाती है।

प्राथमिक सेल
एक प्राथमिक सेल एक बैटरी है जिसे एक बार उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया गया है और फिर त्याग दिया गया है। यह सेल में इलेक्ट्रोड पर होने वाली विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के प्रतिवर्ती नहीं होने के कारण है। प्राथमिक सेल का एक उदाहरण है, उदाहरण के लिए फ्लैशलाइट में उपयोग की जाने वाली त्यागने योग्य क्षारीय बैटरी। एक जिंक एनोड और एक मैंगनीज ऑक्साइड कैथोड से मिलकर जिसमें ZnO बनता है।

अर्ध-प्रतिक्रियाएँ हैं:

Zn(s) 2OH−(aq) → ZnO(s) H2O(l) 2e− {\displaystyle \qquad \qquad } \qquad \qquad [E0oxidation = -1.28 V]

2MnO2(s) H2O(l) 2e− → Mn2O3(s) 2OH-(aq) {\displaystyle \qquad } \qquad [E0reduction = 0.15 V]

समग्र प्रतिक्रिया:

Zn(s) 2MnO2(s) ZnO(s) Mn2O3(s) {\displaystyle \qquad \qquad } \qquad \qquad [E0total = 1.43 V]

ZnO में क्लंपिंग होने का खतरा होता है और अगर दोबारा रिचार्ज किया जाए तो यह कम कुशल डिस्चार्ज देगा। इन बैटरियों को रिचार्ज करना संभव है, लेकिन निर्माता द्वारा सलाह दी गई सुरक्षा चिंताओं के कारण है। अन्य प्राथमिक कोशिकाओं में जिंक-कार्बन, जिंक-क्लोराइड और लिथियम आयरन डाइसल्फ़ाइड बैटरी शामिल हैं।

माध्यमिक सेल
रिचार्जेबल बैटरीज़

डिस्चार्ज और चार्ज के दौरान सेकेंडरी बैटरी के लिए इलेक्ट्रिक करंट और इलेक्ट्रान दिशा।

प्राइमरी सेल के विपरीत सेकेंडरी सेल को रिचार्ज किया जा सकता है। जिनमें से पहली लेड-एसिड बैटरी थी । इस प्रकार की बैटरी अभी भी अन्य ऑटोमोबाइल में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाती है। [5] कैथोड में लेड डाइऑक्साइड (PbO2) और ठोस लेड का एनोड होता है। अन्य आमतौर पर उपयोग की जाने वाली रिचार्जेबल बैटरी निकल-कैडमियम, निकल-धातु हाइड्राइड बैटरी और लिथियम-आयन बैटरी हैं। जिनमें से अंतिम को इसके महत्व के कारण इस लेख में और अधिक विस्तार से समझाया जाएगा।

लिथियम आयन बैटरी में इलेक्ट्रोड
इलेक्ट्रोड का एक आधुनिक अनुप्रयोग लिथियम-आयन बैटरी (ली-आयन बैटरी) में है। ली-आयन बैटरी, एक तरह की फ्लो बैटरी है, जिसे दाईं ओर की छवि में देखा जा सकता है।

रेडॉक्स फ्लो बैटरीएक विशिष्ट प्रवाह बैटरी में तरल पदार्थ के दो टैंक होते हैं जिन्हें दो इलेक्ट्रोडों के बीच एक झिल्ली के माध्यम से पंप किया जाता है। [16]

इसके अलावा, ली-आयन बैटरी एक सेकेंडरी सेल का एक उदाहरण है क्योंकि यह रिचार्जेबल है। यह दोनों गैल्वेनिक या इलेक्ट्रोलाइटिक सेल के रूप में कार्य कर सकता है।ली-आयन बैटरी अपने शानदार प्रदर्शन के कारण बहुत लोकप्रिय हैं। अनुप्रयोगों में मोबाइल फोन और इलेक्ट्रिक कार शामिल हैं। उनकी लोकप्रियता के कारण, लागत कम करने और ली-आयन बैटरी की सुरक्षा बढ़ाने के लिए बहुत सारे शोध किए जा रहे हैं। ली-आयन बैटरियों का एक अभिन्न अंग उनके एनोड और कैथोड हैं, इसलिए विशेष रूप से इन इलेक्ट्रोड की दक्षता, सुरक्षा और लागत को कम करने के लिए बहुत अधिक शोध किया जा रहा है।

लिथियम कैथोड
ली-आयन बैटरी में कैथोड में एक इंटरकलेटेड लिथियम यौगिक होता है (लिथियम और अन्य तत्वों से बने अणुओं की परतों से युक्त एक स्तरित सामग्री)। एक सामान्य तत्व जो यौगिक में अणुओं का हिस्सा बनता है वह कोबाल्ट है। एक और अक्सर इस्तेमाल किया जाने वाला तत्व मैंगनीज है। यौगिक का सबसे अच्छा विकल्प आमतौर पर बैटरी के उपयोग पर निर्भर करता है। मैंगनीज-आधारित यौगिकों पर कोबाल्ट-आधारित यौगिकों के लाभ उनकी उच्च विशिष्ट ताप क्षमता, उच्च वॉल्यूमेट्रिक ताप क्षमता, कम स्व-निर्वहन दर, उच्च निर्वहन वोल्टेज और उच्च चक्र स्थायित्व हैं। हालांकि, कोबाल्ट-आधारित यौगिकों जैसे कि उनकी उच्च लागत और उनकी कम थर्मोस्टेबिलिटी का उपयोग करने में भी कमियां हैं। मैंगनीज के समान फायदे और कम लागत है, हालांकि मैंगनीज के उपयोग से जुड़ी कुछ समस्याएं हैं। मुख्य समस्या यह है कि मैंगनीज समय के साथ इलेक्ट्रोलाइट में घुल जाता है। इस कारण से कोबाल्ट अभी भी सबसे आम तत्व है जिसका उपयोग लिथियम यौगिकों में किया जाता है। नई सामग्री खोजने के लिए बहुत शोध किया जा रहा है जिसका उपयोग सस्ती और लंबे समय तक चलने वाली ली-आयन बैटरी बनाने के लिए किया जा सकता है [18]

लिथियम एनोड
बड़े पैमाने पर उत्पादित ली-आयन बैटरियों में प्रयुक्त एनोड या तो कार्बन आधारित (आमतौर पर ग्रेफाइट) होते हैं या स्पिनल लिथियम टाइटेनेट (Li4Ti5O12) से बने होते हैं। [18]

अन्य एनोड और कैथोड
एक वैक्यूम ट्यूब या अर्धचालक में ध्रुवीयता (डायोड, इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर) होते हैं, एनोड सकारात्मक इलेक्ट्रोड होता है और कैथोड नकारात्मक (-) होता है। इलेक्ट्रॉन कैथोड के माध्यम से डिवाइस में प्रवेश करते हैं और एनोड के माध्यम से डिवाइस से बाहर निकलते हैं। कई उपकरणों में ऑपरेशन को नियंत्रित करने के लिए अन्य इलेक्ट्रोड होते हैं, जैसे, बेस, गेट, कंट्रोल ग्रिड।

एक तीन-इलेक्ट्रोड सेल में, एक काउंटर इलेक्ट्रोड, जिसे एक सहायक इलेक्ट्रोड भी कहा जाता है, का उपयोग केवल इलेक्ट्रोलाइट से कनेक्शन बनाने के लिए किया जाता है ताकि काम करने वाले इलेक्ट्रोड पर करंट लगाया जा सके। काउंटर इलेक्ट्रोड आमतौर पर एक अक्रिय सामग्री से बना होता है, जैसे कि एक महान धातु या ग्रेफाइट, इसे घुलने से बचाने के लिए

वेल्डिंग इलेक्ट्रोड
आर्क वेल्डिंग में, दो टुकड़ों को एक साथ फ्यूज करने के लिए एक वर्कपीस के माध्यम से करंट का संचालन करने के लिए एक इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है। प्रक्रिया के आधार पर, इलेक्ट्रोड या तो उपभोज्य है, गैस धातु चाप वेल्डिंग या परिरक्षित धातु चाप वेल्डिंग के मामले में, या गैर-उपभोज्य, जैसे गैस टंगस्टन चाप वेल्डिंग में। डायरेक्ट करंट सिस्टम के लिए, वेल्ड रॉड या स्टिक फिलिंग टाइप वेल्ड के लिए कैथोड या अन्य वेल्डिंग प्रक्रियाओं के लिए एनोड हो सकता है। एक प्रत्यावर्ती धारा चाप वेल्डर के लिए, वेल्डिंग इलेक्ट्रोड को एनोड या कैथोड नहीं माना जाएगा।

प्रत्यावर्ती धारा इलेक्ट्रोड
विद्युत प्रणालियों के लिए जो प्रत्यावर्ती धारा का उपयोग करते हैं, इलेक्ट्रोड विद्युत प्रवाह द्वारा कार्य करने के लिए सर्किट्री से वस्तु से कनेक्शन होते हैं, लेकिन एनोड या कैथोड नामित नहीं होते हैं क्योंकि इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की दिशा समय-समय पर बदलती रहती है, आमतौर पर प्रति सेकंड कई बार।.

रासायनिक रूप से संशोधित इलेक्ट्रोड
रासायनिक रूप से संशोधित इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोड होते हैं जिनकी सतहों को इलेक्ट्रोड के भौतिक, रासायनिक, विद्युत रासायनिक, ऑप्टिकल, विद्युत और परिवहन गुणों को बदलने के लिए रासायनिक रूप से संशोधित किया जाता है। इन इलेक्ट्रोडों का उपयोग अनुसंधान और जांच में उन्नत उद्देश्यों के लिए किया जाता है। [29]