Logo Onde Flow

Artykuły

Materiały elektroprzewodzące: otrzymywanie, charakterystyka i zastosowanie

Autor: Gabriela Hodacka

Wstęp

            Materiały elektroprzewodzące odgrywają kluczową rolę w nowoczesnych technologiach, takich jak elektronika, energetyka i motoryzacja. W miarę postępu technologicznego i rosnącego zapotrzebowania na efektywne i zrównoważone materiały, badania nad ich otrzymywaniem, charakterystyką i zastosowaniem silnie zyskują na znaczeniu. W artykule omówiono charakterystykę materiałów elektroprzewodzących, w tym przedstawiono metodę otrzymywania tych materiałów z grafitu pozyskanego z recyklingu baterii litowo-jonowych.

Materiały elektroprzewodzące – charakterystyka i klasyfikacja

            Materiały elektroprzewodzące stanowią podstawę dla działania wielu nowoczesnych urządzeń elektronicznych, umożliwiając przepływ elektronów, co jest kluczowe dla ich funkcjonowania. Współczesna technologia opiera się na różnorodnych materiałach, które różnią się od siebie właściwościami elektrycznymi, mechanicznymi oraz termicznymi. Ich właściwości są wynikiem specyficznej struktury molekularnej i atomowej, która wpływa na mobilność nośników ładunku, czyli elektronów, przez materiał. Klasyfikacja materiałów elektroprzewodzących obejmuje metale, polimery przewodzące, materiały węglowe oraz materiały kompozytowe, które łączą cechy różnych substancji, tworząc materiały o nowych, pożądanych właściwościach.

Metale przewodzące

Metale przewodzące, takie jak miedź (Cu) i srebro (Ag) należą do najstarszych i najbardziej powszechnie stosowanych materiałów do przewodzenia prądu elektrycznego. Miedź, dzięki swojej niskiej oporności elektrycznej, jest szeroko wykorzystywana w kablach i przewodach elektrycznych, a także w urządzeniach elektronicznych, takich jak płyty drukowane. Z kolei srebro, mimo wyższych kosztów, wykazuje jeszcze lepszą przewodność elektryczną, co sprawia, że jest wykorzystywane w zastosowaniach wymagających najwyższej jakości materiałów, takich jak w technologii produkcji ogniw słonecznych, czy w wysokiej klasy elektronice. Jednak metale te mają pewne ograniczenia, takie jak duża gęstość, co sprawia, że są stosunkowo ciężkie, a także wysoki koszt, szczególnie w przypadku srebra. W związku z tym, w wielu nowoczesnych zastosowaniach poszukuje się alternatywnych materiałów o lepszej wydajności i niższych kosztach.

Polimery przewodzące

Polimery przewodzące, takie jak polianilina i polipirol to grupa materiałów, które w odróżnieniu od tradycyjnych metali, charakteryzują się dużą elastycznością oraz niską masą. Polimery te nie są przewodnikami elektryczności w tradycyjnym sensie, ale po wprowadzeniu odpowiednich dodatków, takich jak dopanty (np. jony metali), zyskują zdolność przewodzenia prądu. Polianilina i polipirol, po procesie dopowania, stają się materiałami, które mogą przewodzić prąd elektryczny i są wykorzystywane m.in. w elektronice przenośnej, gdzie lekkość i elastyczność materiałów są kluczowe. Zaletą polimerów przewodzących jest także ich łatwa obróbka i możliwość dostosowywania właściwości do konkretnych aplikacji, w tym tworzenia cienkowarstwowych układów elektronicznych, czujników czy elementów pamięci. Ponadto, polimery te charakteryzują się dużą odpornością na korozję, co czyni je materiałami o dużym potencjale.

Materiały węglowe

Materiały węglowe, w tym grafit, grafen, nanorurki węglowe oraz inne pochodne węgla, stały się przedmiotem intensywnych badań i rozwoju ze względu na swoje wyjątkowe właściwości elektroprzewodzące. Grafit- będący jednym z najstarszych materiałów węglowych jest powszechnie stosowany jako anoda w bateriach litowo-jonowych oraz w innych aplikacjach wymagających materiałów elektroprzewodzących. Jest to materiał stosunkowo tani i dostępny, jednak jego właściwości mogą być modyfikowane przez nanostrukturalne zmiany, co pozwala na uzyskanie materiałów o lepszych parametrach. Grafen jako pojedyncza warstwa atomów węgla jest uważany za jeden z najlepszych materiałów elektroprzewodzących, który wykazuje wyjątkową przewodność elektryczną, wytrzymałość mechaniczną oraz odporność na wysokie temperatury. Jego struktura umożliwia swobodny ruch elektronów, co czyni go idealnym kandydatem do zastosowań w elektronice. Z kolei nanorurki węglowe (CNT) to struktury o cylindrycznym kształcie, które wykazują lepsze właściwości przewodzące niż grafit, a także niezwykle wysoką wytrzymałość mechaniczną. CNT są wykorzystywane w produkcji materiałów kompozytowych, w których łączą się z polimerami, tworząc materiały o właściwościach elektroprzewodzących i jednocześnie elastycznych. Zastosowania nanorurek węglowych obejmują m.in. akumulatory, ogniwa słoneczne, czujniki, a także technologie superkondensatorów, które mogą być wykorzystywane w elektromobilności oraz przechowywaniu energii.

Materiały kompozytowe

Materiały kompozytowe stanowią nowoczesną grupę materiałów elektroprzewodzących, łączących właściwości różnych materiałów. Połączenie elastyczności polimeru z wysoką przewodnością materiału węglowego, takiego jak grafit czy nanorurki węglowe, prowadzi do powstania materiałów o zrównoważonych właściwościach, które znajdują szerokie zastosowanie w elektronice przenośnej, bateriach oraz czujnikach. Takie kompozyty mogą być wykorzystywane w aplikacjach wymagających zarówno wysokiej przewodności elektrycznej, lekkości i elastyczności, co jest szczególnie istotne w przypadku komponentów do urządzeń przenośnych, takich jak sensory, akumulatory oraz lekkie ogniwa słoneczne.

Otrzymywanie materiałów elektroprzewodzących

            Produkcja materiałów elektroprzewodzących odbywa się różnymi metodami, które można podzielić na kilka głównych kategorii. Wśród nich wyróżnia się metody chemiczne, w których syntetyzowanie polimerów przewodzących zachodzi w wyniku reakcji chemicznych z wykorzystaniem monomerów, takich jak anilina. Proces ten pozwala na uzyskanie materiałów o specyficznych właściwościach przewodzących, co czyni je cennymi w różnych zastosowaniach. Innym podejściem są metody fizyczne, które obejmują techniki, tj. osadzanie z fazy gazowej (CVD). Tego rodzaju technika umożliwia wytwarzanie cienkowarstwowych materiałów, takich jak grafen, który zyskuje na znaczeniu w elektronice dzięki swoim wyjątkowym właściwościom, takim jak wysoka przewodność elektryczna i wytrzymałość mechaniczna. Oprócz tego stosuje się także metody mechaniczne, które obejmują przetwarzanie węgla. Dzięki tym technikom możliwe jest uzyskanie materiałów o odpowiedniej strukturze i właściwościach elektroprzewodzących. W ten sposób różnorodność metod produkcji materiałów elektroprzewodzących pozwala na dostosowanie ich właściwości do specyficznych wymagań różnych zastosowań w przemyśle elektronicznym oraz innych dziedzinach.

Recykling baterii -> regeneracja anody grafitowej -> kompozyt elektroprzewodzący

            Recykling baterii odgrywa kluczową rolę w kontekście zrównoważonego rozwoju, przyczyniając się do oszczędności surowców i minimalizacji negatywnego wpływu na środowisko. Proces recyklingu baterii zaczyna się od zbiórki i klasyfikacji zużytych ogniw. Zebrane baterie są segregowane według ich typu, co umożliwia skuteczne wydobycie cennych materiałów, takich jak lit, kobalt, grafit. Kolejnym istotnym etapem jest przetwarzanie mechaniczne, które polega na rozdrabnianiu baterii i oddzielaniu ich poszczególnych komponentów. W tym procesie grafit, będący jednym z najważniejszych składników baterii litowo-jonowych, jest odzyskiwany i poddawany dalszym procedurom. Otrzymany grafit może następnie przejść modyfikację chemiczną lub mechaniczną, co pozwala na zwiększenie jego przewodności oraz poprawę właściwości mechanicznych. Tego rodzaju zmiany są kluczowe dla uzyskania materiałów o pożądanych parametrach elektroprzewodzących. Na końcu procesu modyfikowany grafit łączy się z polimerami lub innymi materiałami, tworząc kompozyty elektroprzewodzące.

Otrzymane kompozyty znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym w elektronice, technologii energetycznej i inżynierii materiałowej. Dzięki tym działaniom recykling baterii nie tylko wspiera gospodarkę o obiegu zamkniętym, ale także przyczynia się do rozwoju innowacyjnych materiałów, które są kluczowe w nowoczesnym świecie technologii.

Zastosowanie materiałów elektroprzewodzących

            Materiały elektroprzewodzące odgrywają kluczową rolę w nowoczesnej technologii, a ich zastosowanie rozciąga się na wiele dziedzin. W elektronice, materiały te wykorzystywane są do produkcji elastycznych wyświetlaczy, baterii oraz ogniw słonecznych. Dzięki polimerom przewodzącym możliwe jest wytwarzanie elastycznych układów scalonych, co otwiera nowe możliwości dla innowacyjnych urządzeń elektronicznych, które mogą być wyginane i dostosowywane do różnych form. W sektorze energetycznym kompozyty elektroprzewodzące są niezbędne w magazynowaniu energii, a szczególnie w bateriach i superkondensatorach. Wysoka przewodność elektryczna tych materiałów jest kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność systemów energetycznych, co przekłada się na dłuższy czas pracy urządzeń. Motoryzacja jest kolejną dziedziną, w której materiały elektroprzewodzące znajdują zastosowanie. W konstrukcji pojazdów elektrycznych ich właściwości przyczyniają się do poprawy efektywności energetycznej, co jest istotne w kontekście rosnącej potrzeby ograniczenia emisji spalin i ochrony środowiska.

Nie można również zapomnieć o roli, jaką materiały elektroprzewodzące odgrywają w nanotechnologii. Dzięki swoim unikalnym właściwościom, są one wykorzystywane w produkcji czujników i materiałów inteligentnych, które mają zdolność do interakcji z otoczeniem i dostosowywania się do zmieniających się warunków. Wszystkie te zastosowania świadczą o rosnącym znaczeniu materiałów elektroprzewodzących w innowacyjnych technologiach, które kształtują naszą przyszłość.

Podsumowanie

            Materiały elektroprzewodzące stanowią fundament nowoczesnych technologii, a ich znaczenie w kontekście zrównoważonego rozwoju stale rośnie. Artykuł przedstawia różnorodność tych materiałów, ich charakterystykę oraz metody otrzymywania, w tym wykorzystanie procesu recyklingu baterii jako źródła surowców. Zebrane zużyte ogniwa umożliwiają wydobycie cennych materiałów, takich jak grafit, który następnie przechodzi proces regeneracji. Dzięki temu możliwe jest tworzenie kompozytów elektroprzewodzących o pożądanych właściwościach, które znajdują szerokie zastosowanie w elektronice, energetyce oraz motoryzacji.


Bibliografia

  1. Huang, Y., et al. (2019). "Electrically Conductive Polymers: A Review on Synthesis and Applications." Materials Today: Proceedings, 13, 31-37. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.04.006.
  2. Matsumoto, K., & Kawai, T. (2021). "Graphene-Based Electroconductive Composites for Energy Storage Applications." Journal of Materials Chemistry A, 9(1), 15-27. DOI: 10.1039/D0TA08602C.
  3. Xiong, W., et al. (2020). "Recycling of Lithium-Ion Batteries: Current Technologies and Future Perspectives." Waste Management, 117, 262-276. DOI: 10.1016/j.wasman.2020.09.027.
  4. Khan, Y., et al. (2022). "Conductive Polymers and Their Application in Flexible Electronics." Advanced Materials, 34(8), 2101234. DOI: 10.1002/adma.202101234.
  5. Zhang, Z., et al. (2018). "Graphene and Its Derivatives for Energy Storage: A Review." Energy Storage Materials, 13, 57-69. DOI: 10.1016/j.ensm.2018.05.002.
  6. Jiang, L., et al. (2020). "Polymer-based Composite Materials for Energy Storage Applications." Composites Science and Technology, 198, 108250. DOI: 10.1016/j.compscitech.2020.108250.
  7. Patel, A., & Prasad, S. (2021). "Nanostructured Conductive Polymers for Sensor Applications." Sensors and Actuators B: Chemical, 330, 129262. DOI: 10.1016/j.snb.2020.129262.
  8. Li, X., et al. (2022). "Emerging Trends in the Recycling of Electrochemical Energy Storage Devices." Renewable and Sustainable Energy Reviews, 153, 111762. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111762.
Artykuł powstał dzięki wsparciu firmy ONDE w ramach III edycji Programu Grantowego SOFIA.
Przypisy
Obserwuj nas po więcej!
Kontakt
sofia@ondeflow.pl
ul. Wapienna 40
87-100 Toruń
Pełny kontakt