القطب الكهربائي

القطب الكهربي هو موصل كهربائي يستخدم للاتصال بجزء غير معدني من الدائرة (مثل أشباه الموصلات أو الإلكتروليت أو الفراغ أو الهواء). الأقطاب الكهربية هي أجزاء أساسية من البطاريات والتي يمكن أن تتكون من مجموعة متنوعة من المواد (المواد الكيميائية) اعتمادًا على نوع البطارية.

كان الكهربيفور ، الذي اخترعه يوهان ويلكه ، نسخة مبكرة من القطب الكهربي المستخدم لدراسة الكهرباء الساكنة . ^[1]

الأقطاب الكهربائية هي جزء أساسي من أي بطارية . تم اختراع أول بطارية كهروكيميائية بواسطة أليساندرو فولتا وأطلق عليها اسم الخلية الفولتية . ^{[2] تتكون} هذه البطارية من كومة من أقطاب النحاس والزنك مفصولة بأقراص ورقية مبللة بالمحلول الملحي . نظرًا للتقلب في الجهد الذي توفره الخلية الفولتية، لم تكن عملية للغاية. تم اختراع أول بطارية عملية في عام 1839 وسميت خلية دانييل على اسم جون فريدريك دانييل . لا تزال تستخدم تركيبة قطب الزنك والنحاس. منذ ذلك الحين، تم تطوير العديد من البطاريات الأخرى باستخدام مواد مختلفة. لا يزال أساس كل هذه البطاريات هو استخدام قطبين، الأنود والكاثود .

تم صياغة مصطلح "الأنود" بواسطة ويليام ويويل بناءً على طلب مايكل فاراداي ، وهو مشتق من الكلمات اليونانية ἄνο (ano)، "إلى الأعلى" وὁδός (hodós)، "طريق". ^[3] الأنود هو القطب الذي يدخل من خلاله التيار التقليدي من الدائرة الكهربائية للخلية الكهروكيميائية (البطارية) إلى الخلية غير المعدنية . ثم تتدفق الإلكترونات إلى الجانب الآخر من البطارية. افترض بنيامين فرانكلين أن التدفق الكهربائي انتقل من الموجب إلى السالب. ^[4] تتدفق الإلكترونات بعيدًا عن الأنود والتيار التقليدي تجاهه. ومن كليهما يمكن استنتاج أن شحنة الأنود سالبة. يأتي الإلكترون الذي يدخل الأنود من تفاعل الأكسدة الذي يحدث بجانبه.

الكاثود هو عكس الأنود في كثير من النواحي. يأتي الاسم (الذي صاغه أيضًا ويويل) من الكلمات اليونانية κάτω (كاتو)، "إلى الأسفل" وὁδός (هودوس)، "طريق". إنه القطب الموجب، مما يعني أن الإلكترونات تتدفق من الدائرة الكهربائية عبر الكاثود إلى الجزء غير المعدني من الخلية الكهروكيميائية. عند الكاثود، يحدث تفاعل الاختزال مع وصول الإلكترونات من السلك المتصل بالكاثود ويتم امتصاصها بواسطة عامل الأكسدة .

الخلية الأولية هي بطارية مصممة للاستخدام مرة واحدة ثم التخلص منها. ويرجع هذا إلى أن التفاعلات الكهروكيميائية التي تحدث عند الأقطاب الكهربائية في الخلية غير قابلة للعكس. ومن الأمثلة على الخلية الأولية البطارية القلوية القابلة للتخلص منها والتي تستخدم عادة في المصابيح الكهربائية. وتتكون من أنود الزنك وكاثود أكسيد المنغنيز حيث يتكون أكسيد الزنك.

نصف التفاعلات هي:

Zn _(s) + 2OH ⁻ _{( aq )} → ZnO _(s) + H ₂ O _(l) + 2e ⁻ [ _{أكسدة E} ⁰ = -1.28 فولت]${\displaystyle \qquad \qquad }$

2MnO2 _(s) + _{H2O (l)} + 2e − ^→ Mn2O3 _{( s)} + 2OH ⁻ _(aq) [ _{اختزال E} ⁰ = +0.15 فولت]${\displaystyle \qquad }$

رد الفعل العام:

Zn _(s) + 2MnO2 _(s) ⇌ ZnO _(s) + _{Mn2O3 (s)} [ _{إجمالي الطاقة} ⁰ = +1.43 فولت ]${\displaystyle \qquad \qquad }$

يُعد أكسيد الزنك عرضة للتكتل وسيؤدي إلى تفريغ أقل كفاءة إذا أعيد شحنه مرة أخرى. من الممكن إعادة شحن هذه البطاريات ولكن بسبب مخاوف تتعلق بالسلامة ينصح المصنع بعدم القيام بذلك. تشمل الخلايا الأولية الأخرى الزنك-الكربون ، وكلوريد الزنك ، وثنائي كبريتيد الحديد الليثيوم.

على عكس الخلية الأولية، يمكن إعادة شحن خلية ثانوية. كانت أول خلية هي بطارية الرصاص الحمضية ، التي اخترعها الفيزيائي الفرنسي جاستون بلانتيه عام 1859. لا يزال هذا النوع من البطاريات هو الأكثر استخدامًا في السيارات وغيرها. ^[5] يتكون الكاثود من ثاني أكسيد الرصاص (PbO2) والأنود من الرصاص الصلب. البطاريات القابلة لإعادة الشحن الأخرى المستخدمة بشكل شائع هي النيكل والكادميوم ، ونيكل هيدريد المعدن ، وليثيوم أيون . سيتم شرح الأخير منها بشكل أكثر شمولاً في هذه المقالة نظرًا لأهميته.

نظرية ماركوس هي نظرية طورها في الأصل الحائز على جائزة نوبل رودولف أ. ماركوس وتشرح المعدل الذي يمكن للإلكترون أن ينتقل به من نوع كيميائي إلى آخر، ^[6] وفي هذه المقالة يمكن اعتبار ذلك بمثابة "قفزة" من القطب إلى نوع في المذيب أو العكس. يمكننا تمثيل المشكلة على أنها حساب معدل النقل لنقل الإلكترون من المانح إلى المتقبل

د + أ → د ⁺ + أ ⁻

الطاقة الكامنة للنظام هي دالة لإحداثيات الترجمة والدوران والاهتزاز للأنواع المتفاعلة وجزيئات الوسط المحيط، والتي تسمى مجتمعة إحداثيات التفاعل. يمثل الإحداثي السيني الشكل الموجود على اليمين هذه. من نظرية نقل الإلكترون الكلاسيكية، يمكن حساب تعبير ثابت معدل التفاعل (احتمالية التفاعل)، إذا افترضنا عملية غير كظومية وطاقة كامنة مكافئة، من خلال إيجاد نقطة التقاطع (Q _x ). هناك شيء مهم يجب ملاحظته، وقد لاحظه ماركوس عندما توصل إلى النظرية، وهو أن نقل الإلكترون يجب أن يلتزم بقانون حفظ الطاقة ومبدأ فرانك كوندون. يؤدي القيام بذلك ثم إعادة ترتيب ذلك إلى التعبير عن تنشيط الطاقة الحرة ( ) من حيث الطاقة الحرة الكلية للتفاعل ( ). ${\displaystyle \Delta G^{\dagger }}$${\displaystyle \دلتا ج^{0}}$

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

حيث تكون طاقة إعادة التنظيم. ملء هذه النتيجة في معادلة أرينيوس المشتقة بشكل كلاسيكي${\displaystyle \lambda }$

$${\displaystyle k=A\,\exp \left({\frac {-\Delta G^{\dagger }}{kT}}\right),}$$

يؤدي إلى

$${\displaystyle k=A\,\exp \left[{\frac {-(\Delta G^{0}+\lambda )^{2}}{4\lambda kT}}\right]}$$

مع كون A هو العامل الأسي المسبق والذي يتم تحديده تجريبياً عادةً، ^[7] على الرغم من أن الاشتقاق شبه الكلاسيكي يوفر مزيدًا من المعلومات كما سيتم شرحه أدناه.

هذه النتيجة المشتقة بشكل كلاسيكي أعادت إنتاج ملاحظات معدل نقل الإلكترون الأقصى بشكل نوعي في ظل الظروف ^[8] . للحصول على معالجة رياضية أكثر شمولاً، يمكن للمرء قراءة الورقة التي كتبها نيوتن. ^[9] يمكن للمرء أن يقرأ الورقة التي كتبها ماركوس لتفسير هذه النتيجة وما إذا كان من الممكن إلقاء نظرة فاحصة على المعنى الفيزيائي للنتيجة . ^[10]${\displaystyle \Delta G^{\dagger }=\lambda }$${\displaystyle \lambda }$

يمكن وصف الموقف الحالي بدقة أكبر باستخدام نموذج المذبذب التوافقي النازح، وفي هذا النموذج يُسمح بالنفق الكمومي . وهذا ضروري لتفسير سبب استمرار حدوث عمليات نقل الإلكترون حتى عند درجة حرارة قريبة من الصفر كلفن، ^[11] على النقيض من النظرية الكلاسيكية.

دون الخوض في الكثير من التفاصيل حول كيفية إجراء الاشتقاق، فإنه يعتمد على استخدام القاعدة الذهبية لفيرمي من نظرية الاضطرابات المعتمدة على الوقت مع هاملتوني الكامل للنظام. من الممكن النظر إلى التداخل في الدوال الموجية لكل من المتفاعلات والمنتجات (الجانب الأيمن والأيسر من التفاعل الكيميائي) وبالتالي عندما تكون طاقاتهم متماثلة وتسمح بنقل الإلكترون. كما تطرقنا من قبل، يجب أن يحدث هذا لأنه عندها فقط يتم الالتزام بحفظ الطاقة. بتخطي بضع خطوات رياضية، يمكن حساب احتمال نقل الإلكترون (وإن كان صعبًا للغاية) باستخدام الصيغة التالية

$${\displaystyle w_{ET}={\frac {|J|^{2}}{\hbar ^{2}}}\int _{-\infty }^{+\infty }dt\,e^{-i\Delta Et/\hbar -g(t)}}$$

مع كونه ثابت الاقتران الإلكتروني الذي يصف التفاعل بين الحالتين (المتفاعلات والنواتج) ويكون دالة شكل الخط . بأخذ الحد الكلاسيكي لهذا التعبير، بمعنى ، وإجراء بعض الاستبدالات، نحصل على تعبير مشابه جدًا للصيغة المشتقة كلاسيكيًا، كما هو متوقع. ${\displaystyle J}$${\displaystyle g(t)}$${\displaystyle \hbar \omega \ll kT}$$${\displaystyle w_{ET}={\frac {|J|^{2}}{\hbar }}{\sqrt {\frac {\pi }{\lambda kT}}}\exp \left[{\frac {-(\Delta E+\lambda )^{2}}{4\lambda kT}}\right]}$$

الفرق الرئيسي الآن هو أن العامل ما قبل الأسي قد تم وصفه الآن بمعلمات فيزيائية أكثر بدلاً من العامل التجريبي . مرة أخرى، يُلجأ إلى المصادر المذكورة أدناه للحصول على استنتاج وتفسير رياضي أكثر عمقًا ودقة. ${\displaystyle A}$

يتم تحديد الخصائص الفيزيائية للأقطاب الكهربائية بشكل أساسي من خلال مادة القطب الكهربائي وطوبولوجيا القطب الكهربائي. تعتمد الخصائص المطلوبة على التطبيق وبالتالي هناك العديد من أنواع الأقطاب الكهربائية المتداولة. الخاصية المحددة للمادة التي سيتم استخدامها كقطب كهربائي هي أنها موصلة . وبالتالي يمكن استخدام أي مادة موصلة مثل المعادن أو أشباه الموصلات أو الجرافيت أو البوليمرات الموصلة كقطب كهربائي. غالبًا ما تتكون الأقطاب الكهربائية من مجموعة من المواد، ولكل منها مهمة محددة. المكونات النموذجية هي المواد النشطة التي تعمل كجسيمات تتأكسد أو تختزل، والعوامل الموصلة التي تعمل على تحسين توصيل القطب الكهربائي والمواد الرابطة التي تستخدم لاحتواء الجسيمات النشطة داخل القطب الكهربائي. يتم الحكم على كفاءة الخلايا الكهروكيميائية من خلال عدد من الخصائص، والكميات المهمة هي وقت التفريغ الذاتي ، وجهد التفريغ وأداء الدورة. تلعب الخصائص الفيزيائية للأقطاب الكهربائية دورًا مهمًا في تحديد هذه الكميات. الخصائص المهمة للأقطاب الكهربائية هي: المقاومة الكهربائية ، والسعة الحرارية النوعية (c_p)، وإمكانات القطب الكهربائي والصلابة . بالطبع، بالنسبة للتطبيقات التكنولوجية، فإن تكلفة المادة هي أيضًا عامل مهم. ^[12] يتم سرد قيم هذه الخصائص عند درجة حرارة الغرفة (T = 293 K) لبعض المواد المستخدمة بشكل شائع في الجدول أدناه.

خصائص الأقطاب الكهربائية الشائعة ^[13]

ملكيات	الليثيوم (Li)	المنغنيز (Mn)	النحاس (Cu)	الزنك (Zn)	الجرافيت
المقاومة (Ωm)	8.40هـ-8	1.44e-6	1.70e-8	5.92e-8	6.00هـ-6
جهد القطب الكهربائي (فولت)	-3.02	-1.05	-0.340	-0.760	-
الصلابة (HV)	<5	500	50	30	7-11
السعة الحرارية النوعية (J/(gK))	2.997	0.448	0.385	0.3898	0.707

تلعب طوبولوجيا سطح القطب الكهربائي دورًا مهمًا في تحديد كفاءة القطب الكهربائي. يمكن تقليل كفاءة القطب الكهربائي بسبب مقاومة التلامس . لذلك، لإنشاء قطب كهربائي فعال، من المهم تصميمه بحيث يقلل من مقاومة التلامس.

يتم إنتاج أقطاب بطاريات الليثيوم أيون في خطوات مختلفة على النحو التالي: ^[14]

1. يتم خلط المكونات المختلفة للقطب الكهربائي في مذيب. تم تصميم هذا الخليط بحيث يعمل على تحسين أداء الأقطاب الكهربائية. المكونات الشائعة لهذا الخليط هي:
   • جزيئات القطب النشط.
   • مادة رابطة تستخدم لاحتواء جزيئات القطب النشط.
   • مادة موصلة تستخدم لتحسين توصيل القطب الكهربائي.

   ويُطلق على الخليط الناتج اسم "مزيج الأقطاب الكهربائية".

2. يتم طلاء عجينة الأقطاب الكهربائية أعلاه على موصل يعمل كمجمع للتيار في الخلية الكهروكيميائية. المجمعات النموذجية للتيار هي النحاس للكاثود والألومنيوم للأنود.
3. بعد تطبيق الملاط على الموصل يتم تجفيفه ثم ضغطه إلى السمك المطلوب.

بالنسبة لمجموعة معينة من مكونات القطب الكهربائي، يتم تحديد الكفاءة النهائية من خلال البنية الداخلية للقطب الكهربائي. العوامل المهمة في البنية الداخلية لتحديد أداء القطب الكهربائي هي: ^[15]

• تجميع المادة الفعالة والعامل الموصل. لكي تتمكن جميع مكونات الملاط من أداء مهمتها، يجب توزيعها جميعًا بالتساوي داخل القطب.
• توزيع متساوي للعامل الموصل على المادة الفعالة. وهذا يضمن أن موصلية القطب الكهربائي مثالية.
• التصاق القطب بجامعي التيار. يضمن الالتصاق عدم ذوبان القطب في الإلكتروليت.
• كثافة المادة الفعالة. يجب إيجاد توازن بين كمية المادة الفعالة والعامل الموصل والمادة الرابطة. ونظرًا لأن المادة الفعالة هي العامل المهم في القطب، فيجب تصميم الملاط بحيث تكون كثافة المادة الفعالة عالية قدر الإمكان، دون أن لا يعمل العامل الموصل والمادة الرابطة بشكل صحيح.

يمكن التأثير على هذه الخصائص في إنتاج الأقطاب الكهربائية بعدة طرق. الخطوة الأكثر أهمية في تصنيع الأقطاب الكهربائية هي إنشاء عجينة الأقطاب الكهربائية. وكما يمكن رؤيته أعلاه، فإن الخصائص المهمة للقطب الكهربائي تتعلق جميعها بالتوزيع المتساوي لمكونات القطب الكهربائي. لذلك، من المهم جدًا أن تكون عجينة الأقطاب الكهربائية متجانسة قدر الإمكان. تم تطوير إجراءات متعددة لتحسين مرحلة الخلط هذه ولا يزال البحث الحالي جاريًا. ^[15]

أحد التطبيقات الحديثة للأقطاب الكهربائية هو بطاريات الليثيوم أيون (بطاريات الليثيوم أيون). بطارية الليثيوم أيون هي نوع من بطاريات التدفق التي يمكن رؤيتها في الصورة على اليمين.

علاوة على ذلك، تعد بطارية الليثيوم أيون مثالاً على الخلية الثانوية لأنها قابلة لإعادة الشحن. ويمكنها أن تعمل كخلية جلفانية أو كهروليتية . تستخدم بطاريات الليثيوم أيونات الليثيوم كمذاب في الإلكتروليت والتي تذوب في مذيب عضوي . تمت دراسة أقطاب الليثيوم لأول مرة بواسطة جيلبرت ن. لويس وفريدريك ج. كيز في عام 1913. ^[17] في القرن التالي، تم استخدام هذه الأقطاب لإنشاء ودراسة أول بطاريات الليثيوم أيون. تحظى بطاريات الليثيوم أيون بشعبية كبيرة بسبب أدائها الرائع. تشمل التطبيقات الهواتف المحمولة والسيارات الكهربائية. نظرًا لشعبيتها، يتم إجراء الكثير من الأبحاث لتقليل التكلفة وزيادة أمان بطاريات الليثيوم أيون. جزء لا يتجزأ من بطاريات الليثيوم أيون هو الأنودات والكاثودات، وبالتالي يتم إجراء الكثير من الأبحاث لزيادة كفاءة وأمان وتقليل تكاليف هذه الأقطاب على وجه التحديد. ^[18]

في بطاريات الليثيوم أيون، يتكون الكاثود من مركب ليثيوم متداخل (مادة طبقية تتكون من طبقات من الجزيئات المكونة من الليثيوم وعناصر أخرى). العنصر الشائع الذي يشكل جزءًا من الجزيئات في المركب هو الكوبالت . عنصر آخر يستخدم بشكل متكرر هو المنغنيز . يعتمد الاختيار الأفضل للمركب عادةً على تطبيق البطارية. تتمثل مزايا المركبات القائمة على الكوبالت مقارنة بالمركبات القائمة على المنغنيز في سعتها الحرارية النوعية العالية، وسعتها الحرارية الحجمية العالية ، ومعدل التفريغ الذاتي المنخفض، وجهد التفريغ العالي، ومتانة الدورة العالية. ومع ذلك، هناك أيضًا عيوب في استخدام المركبات القائمة على الكوبالت مثل تكلفتها العالية وثباتها الحراري المنخفض . يتمتع المنغنيز بمزايا مماثلة وتكلفة أقل، ومع ذلك، هناك بعض المشاكل المرتبطة باستخدام المنغنيز. المشكلة الرئيسية هي أن المنغنيز يميل إلى الذوبان في الإلكتروليت بمرور الوقت. لهذا السبب، لا يزال الكوبالت هو العنصر الأكثر شيوعًا المستخدم في مركبات الليثيوم. يتم إجراء الكثير من الأبحاث لإيجاد مواد جديدة يمكن استخدامها لإنشاء بطاريات ليثيوم أيون أرخص وأطول عمرًا ^[18]

الأنودات المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون المنتجة بكميات كبيرة إما أن تكون مصنوعة من الكربون (عادةً الجرافيت) أو مصنوعة من تيتانات الليثيوم السبينيل (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ ). ^[18] تم تنفيذ أنودات الجرافيت بنجاح في العديد من البطاريات الحديثة المتوفرة تجاريًا نظرًا لسعرها الرخيص وطول عمرها وكثافة الطاقة العالية. ^[19] ومع ذلك، فإنها تقدم مشاكل نمو الشجيرات الشجرية، مع مخاطر حدوث ماس كهربائي للبطارية وتشكل مشكلة تتعلق بالسلامة. ^[20] تتمتع Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ بثاني أكبر حصة سوقية من الأنودات، نظرًا لاستقرارها وقدرتها الجيدة على المعدل، ولكن مع تحديات مثل السعة المنخفضة. ^[21] خلال أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بدأت أبحاث أنود السيليكون تكتسب زخمًا، لتصبح واحدة من أكثر المرشحين الواعدين في العقد لأنودات بطاريات الليثيوم أيون المستقبلية. ^[22] يتمتع السيليكون بواحدة من أعلى القدرات الوزنية عند مقارنتها بالجرافيت وLi ₄ Ti ₅ O ₁₂ بالإضافة إلى سعة حجمية عالية. علاوة على ذلك، يتمتع السيليكون بميزة العمل تحت جهد دائرة مفتوحة معقول دون تفاعلات الليثيوم الطفيلية. ^{[23] [24]} ومع ذلك، فإن أنودات السيليكون لديها مشكلة كبيرة تتمثل في التمدد الحجمي أثناء عملية الليثيوم بنحو 360٪. ^[25] قد يؤدي هذا التمدد إلى سحق الأنود، مما يؤدي إلى ضعف الأداء. ^[26] لإصلاح هذه المشكلة، بحث العلماء في تغيير أبعاد السيليكون. ^[22] تم تطوير العديد من الدراسات في أسلاك السيليكون النانوية وأنابيب السيليكون وكذلك صفائح السيليكون. ^[22] ونتيجة لذلك، أصبحت أنودات السيليكون الهرمية المركبة هي التكنولوجيا الرئيسية للتطبيقات المستقبلية في بطاريات الليثيوم أيون. في أوائل عشرينيات القرن الحادي والعشرين، وصلت التكنولوجيا إلى مستويات تجارية مع بناء مصانع لإنتاج الأنودات بكميات كبيرة في الولايات المتحدة. ^[27] علاوة على ذلك، يعد الليثيوم المعدني مرشحًا محتملًا آخر للأنود. إنه يتميز بسعة نوعية أعلى من السيليكون، ومع ذلك، فإنه يأتي مع عيب العمل مع الليثيوم المعدني غير المستقر للغاية. ^[28] على غرار أنودات الجرافيت، فإن تكوين الشجيرات الشجرية هو قيد رئيسي آخر لليثيوم المعدني، حيث تشكل الطور البيني للإلكتروليت الصلب تحديًا تصميميًا رئيسيًا. ^[29] في النهاية، إذا تم تثبيته، فسيكون الليثيوم المعدني قادرًا على إنتاج بطاريات تحمل أكبر قدر من الشحن، مع كونها الأخف وزناً. ^[28]

آلية فشل شائعة للبطاريات هي الصدمة الميكانيكية، والتي تكسر إما القطب أو حاوية النظام، مما يؤدي إلى ضعف التوصيل وتسرب الإلكتروليت. ^[30] ومع ذلك، فإن أهمية الخصائص الميكانيكية للأقطاب الكهربائية تتجاوز مقاومة الاصطدامات بسبب بيئتها. أثناء التشغيل القياسي، يؤدي دمج الأيونات في الأقطاب الكهربائية إلى تغيير في الحجم. ويتضح هذا جيدًا من خلال أقطاب السيليكون في بطاريات الليثيوم أيون التي تتمدد بنحو 300٪ أثناء عملية الليثيوم. ^[31] قد يؤدي هذا التغيير إلى تشوهات في الشبكة، وبالتالي ضغوط في المادة. قد يكون أصل الضغوط بسبب القيود الهندسية في القطب أو الطلاء غير المتجانس للأيون. ^[32] هذه الظاهرة مقلقة للغاية لأنها قد تؤدي إلى كسر القطب وفقدان الأداء. وبالتالي، فإن الخصائص الميكانيكية حاسمة لتمكين تطوير أقطاب كهربائية جديدة للبطاريات طويلة الأمد. إحدى الاستراتيجيات المحتملة لقياس السلوك الميكانيكي للأقطاب الكهربائية أثناء التشغيل هي استخدام البصمة النانوية . ^[33] تتمكن الطريقة من تحليل كيفية تطور الضغوط أثناء التفاعلات الكهروكيميائية، وهي أداة قيمة في تقييم المسارات المحتملة لربط السلوك الميكانيكي والكيمياء الكهربائية.

لا تؤثر الضغوط فقط على مورفولوجيا القطب، بل إنها قادرة أيضًا على التأثير على التفاعلات الكهروكيميائية. ^{[32] [34]} في حين أن القوى الدافعة الكيميائية عادة ما تكون أعلى في الحجم من الطاقات الميكانيكية، فإن هذا ليس صحيحًا بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون. ^[35] أثبتت دراسة أجراها الدكتور لارشي وجود علاقة مباشرة بين الإجهاد المطبق والإمكانات الكيميائية للقطب. ^[36] على الرغم من أنها تهمل متغيرات متعددة مثل اختلاف القيود المرنة، إلا أنها تطرح من إجمالي الإمكانات الكيميائية الطاقة المرنة التي يسببها الإجهاد.

${\displaystyle \mu =\mu ^{o}+k\cdot T\cdot \log(\gamma \cdot x)+\Omega \cdot \sigma }$

في هذه المعادلة، يمثل μ الجهد الكيميائي، حيث يمثل μ° قيمته المرجعية. يمثل T درجة الحرارة و k ثابت بولتزمان . يمثل المصطلح γ داخل اللوغاريتم النشاط و x هي نسبة الأيون إلى التركيب الكلي للقطب الكهربي. يمثل المصطلح الجديد Ω الحجم المولي الجزئي للأيون في المضيف ويتوافق σ مع متوسط ​​الإجهاد الذي يشعر به النظام. نتيجة هذه المعادلة هي أن الانتشار، الذي يعتمد على الجهد الكيميائي، يتأثر بالإجهاد الإضافي، وبالتالي يغير أداء البطارية. علاوة على ذلك، قد تؤثر الضغوط الميكانيكية أيضًا على طبقة الطور البيني للصلب والإلكتروليت للقطب الكهربي. ^[30] الواجهة التي تنظم نقل الأيون والشحنة ويمكن أن تتدهور بسبب الإجهاد. وبالتالي، سيتم استهلاك المزيد من الأيونات في المحلول لإصلاحه، مما يقلل من الكفاءة الإجمالية للنظام. ^[37]

في الأنبوب المفرغ أو شبه الموصل ذي القطبية ( الثنائيات والمكثفات الكهربية ) يكون الأنود هو القطب الموجب (+) والكاثود هو القطب السالب (-). تدخل الإلكترونات إلى الجهاز عبر الكاثود وتخرج من الجهاز عبر الأنود. تحتوي العديد من الأجهزة على أقطاب كهربائية أخرى للتحكم في التشغيل، على سبيل المثال، القاعدة والبوابة وشبكة التحكم.

في خلية ثلاثية الأقطاب، يتم استخدام قطب مضاد، يسمى أيضًا قطبًا مساعدًا ، فقط لإنشاء اتصال بالإلكتروليت بحيث يمكن تطبيق تيار على القطب العامل . عادة ما يكون القطب المضاد مصنوعًا من مادة خاملة، مثل معدن نبيل أو جرافيت ، لمنعه من الذوبان.

في اللحام القوسي ، يتم استخدام قطب كهربائي لتوصيل التيار عبر قطعة العمل لدمج قطعتين معًا. اعتمادًا على العملية، يكون القطب الكهربائي إما قابلًا للاستهلاك، في حالة اللحام القوسي المعدني بالغاز أو اللحام القوسي المعدني المحمي ، أو غير قابل للاستهلاك، كما هو الحال في اللحام القوسي بالتنغستن الغازي . بالنسبة لنظام التيار المستمر، قد يكون قضيب اللحام أو العصا كاثودًا للحام من النوع الملء أو أنودًا لعمليات اللحام الأخرى. بالنسبة لجهاز اللحام القوسي بالتيار المتناوب، لن يُعتبر قطب اللحام أنودًا أو كاثودًا.

بالنسبة للأنظمة الكهربائية التي تستخدم التيار المتناوب ، فإن الأقطاب الكهربائية هي الوصلات من الدائرة إلى الجسم الذي سيتم تطبيق التيار الكهربائي عليه ولكن لا يتم تعيينها أنودًا أو كاثودًا لأن اتجاه تدفق الإلكترونات يتغير بشكل دوري ، عادةً عدة مرات في الثانية .

الأقطاب الكهربائية المعدلة كيميائيًا هي أقطاب كهربائية تم تعديل أسطحها كيميائيًا لتغيير خصائصها الفيزيائية والكيميائية والكهروكيميائية والبصرية والكهربائية والنقلية . تُستخدم هذه الأقطاب الكهربائية لأغراض متقدمة في البحث والتحقيق. [ ^38]

تُستخدم الأقطاب الكهربائية لتوفير التيار الكهربائي عبر الأجسام غير المعدنية لتغييرها بطرق عديدة وقياس التوصيلية لأغراض عديدة. ومن الأمثلة على ذلك:

• أقطاب كهربائية لخلايا الوقود
• أقطاب كهربائية للأغراض الطبية، مثل تخطيط كهربية الدماغ (لتسجيل نشاط الدماغ)، وتخطيط كهربية القلب (تسجيل ضربات القلب )، وتحفيز الدماغ الكهربائي، وجهاز مزيل الرجفان (تسجيل وتوصيل تحفيز القلب)
• أقطاب كهربائية لتقنيات الفيزيولوجيا الكهربائية في البحوث الطبية الحيوية
• أقطاب كهربائية للإعدام بالكرسي الكهربائي
• أقطاب كهربائية للطلاء الكهربائي
• أقطاب لحام القوس الكهربائي
• أقطاب الحماية الكاثودية
• أقطاب التأريض
• أقطاب التحليل الكيميائي باستخدام الطرق الكهروكيميائية
• أقطاب كهربائية نانوية لقياسات عالية الدقة في الكيمياء الكهربائية النانوية
• أقطاب خاملة للتحليل الكهربائي (مصنوعة من البلاتين )
• تجميع أقطاب الغشاء
• أقطاب كهربائية لسلاح الصعق الكهربائي تيزر

• كيبيدي، مسفين أ؛ إيزيما، فابيان الأول، محررون. (2022). مواد القطب لتخزين الطاقة وتحويلها (الطبعة الأولى). بوكا راتون: CRC Press / تايلور وفرانسيس. دوى :10.1201/9781003145585. رقم 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 نوفمبر 2013). "توصيف مواد الأقطاب الكهربائية لبطاريات أيون الليثيوم وأيون الصوديوم باستخدام تقنيات الإشعاع السنكروتروني". مجلة التجارب المرئية (81): e50594. doi :10.3791/50594. PMC  3989498. PMID  24300777 .