Última actualización: 12 de noviembre de 2021
El papel de los potenciostatos, las navajas suizas de la investigación electroquímica, y su valor en R&D, control de calidad y pruebas de baterías, entre otros dominios industriales y científicos, se examina en este artículo.
Detrás de cada buena decisión en la investigación electroquímica, se encuentra un buen potenciostato
Las herramientas de medición y análisis se han utilizado durante mucho tiempo en los mundos de la industria y la investigación para impulsar la innovación. Además de aumentar nuestra comprensión científica y técnica, estas herramientas desempeñan un papel vital en la cuantificación y calificación de fenómenos imperceptibles para los sentidos humanos. Los potenciostatos son un gran ejemplo de tales dispositivos analíticos y han apoyado el progreso en el campo de la electroquímica durante más de un siglo.
Los potenciostatos (a veces denominados estaciones de trabajo electroquímicas o potenciostatos / galvanostatos) son herramientas de medición y control vitales utilizadas principalmente en la investigación electroquímica, así como en otros campos industriales. En electroquímica, los potenciostatos se utilizan tanto en la investigación fundamental como en la aplicada para obtener una mayor comprensión de los procesos de electrodos, la química analítica, la investigación de baterías y la investigación de corrosión. Las aplicaciones secundarias incluyen la síntesis química y la biología. Verá una lista completa de estas aplicaciones en este artículo.
Los potenciostatos han demostrado ser herramientas importantes en el desarrollo de baterías secundarias a través de su capacidad para estudiar interfaces electroquímicas. También permiten realizar pruebas de batería a través de su capacidad para cargar y descargar una batería en condiciones predefinidas.
Este artículo dará una visión general del papel del potenciostato en la investigación y la industria y describirá cómo funcionan.
De un vistazo: ¿Qué es un potenciostato / galvanostato?
Un potenciostato / galvanostato es un instrumento que gestiona la aplicación de voltaje o corriente a un electrodo celular electroquímico (descripción detallada a continuación). El potenciostato / galvanostato es la herramienta principal utilizada en experimentos electroquímicos y electroanalíticos.
Descripción general: modos de función
Modos potenciostáticos / galvanostáticos
Los potenciostatos / galvanostatos tienen dos modos de función principales dependiendo de la cantidad eléctrica que se controle: el potencial o la corriente. Estos se denominan modos potenciostático y galvanostático (véanse las figuras 1 & 2 a continuación). Cuando el potenciostato / galvanostato se utiliza en modo potenciostático, puede denominarse potenciostato.
En modo potenciostático, el potenciostato aplica y controla el potencial, y mide la corriente que fluye a través del sistema electroquímico (véase la Figura 1 a continuación).
Figura 1: Principio del modo potenciostático.
De un vistazo: Modo potenciostático
El modo potenciostático mide y controla la diferencia de voltaje entre un electrodo de trabajo y un electrodo de referencia, que tiene un potencial constante. Este, quizás el modo más utilizado de una estación de trabajo electroquímica, mide el flujo de corriente entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo (que completa el circuito celular).
Es común aplicar una «rampa de voltaje» donde el voltaje se aplica de forma incremental (una técnica potenciodinámica), siendo la Voltamperometría cíclica (CV) la más popular. La Voltamperometría cíclica es una técnica rápida y sencilla para obtener el comportamiento completo de un sistema electroquímico (consulte Voltamperometría cíclica: cómo obtener grandes resultados con su potenciostato).
Las técnicas más utilizadas en corrosión y electroquímica analítica se basan en el modo potenciostático.
En modo galvanostático, el instrumento electroquímico realiza las mediciones de variaciones de potencial mientras se aplica y controla la corriente (véase la Figura 2 a continuación).
Figura 2: Principio del modo galvanostático.
De un vistazo: Modo galvanostático
El modo galvanostático se basa en el control de la corriente que fluye a través del sistema. Cuando el dispositivo se utiliza para estas mediciones, se llama galvanostato. La aplicación más común para el modo galvanostático es la investigación de baterías.
Muchas técnicas electroquímicas modernas se basan en una sucesión de secuencias que utilizan modos potenciostáticos y galvanostáticos alternativos. La capacidad de cambiar de un modo a otro es un desarrollo relativamente reciente en el diseño de potenciostatos, pero se utiliza ampliamente en pruebas de baterías donde es necesario cambiar en rápida sucesión del modo potenciostato al modo galvano. Esta funcionalidad requiere especificaciones de alta gama, como las disponibles en potenciostatos biológicos.
Otros modos de función
Los potenciostatos también tienen modos de control específicos: el Voltaje de Circuito Abierto (OCV), el Amperímetro de Resistencia Cero (ZRA) y la Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS). Cada uno de estos modos de control tiene un propósito específico.
El modo de control OCV permite la adquisición de datos de tensión cuando la celda está en estado de reposo, es decir, cuando el potenciostato no aplica corriente ni tensión al electrodo de trabajo de la celda. Este modo de control se usa comúnmente para el equilibrio de la celda electroquímica.
EIS designa un modo de control sinusoidal. El potenciostato aplica una señal de entrada sinusoidal (corriente o tensión) y mide la respuesta del sistema. Este modo de control es ampliamente utilizado en sistemas electroquímicos y de corrosión porque proporciona información detallada sobre la cinética de reacción, las tasas de corrosión y los parámetros de transferencia de masa, entre otros. Para obtener más información sobre la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS), visite el artículo del Centro de Aprendizaje «Qué es EIS».
El modo de control ZRA permite determinar el ruido de corriente electroquímica aplicando una tensión igual a 0 V entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo (ver descripción de electrodos) y midiendo la corriente que fluye entre las dos muestras idénticas. Puede encontrar más información sobre las mediciones de ruido electroquímico en la Nota de aplicación # 39-1.#39-2, #39-3
Un enlace perfecto entre la interfaz de potenciostato (software) y el potenciostato (hardware) facilita al usuario la gestión de cada modo.
En la siguiente parte del documento, veremos exactamente cómo funciona el potenciostato examinando los componentes clave y la arquitectura del potenciostato.
¿Cómo funcionan los potenciostatos / galvanostatos?
Control del potencial: la configuración de tres electrodos
El potenciostato es un instrumento dedicado al estudio de procesos electroquímicos. El control del potencial del electrodo de trabajo interfacial es crucial para garantizar que la corriente se mida a un potencial constante. Una configuración de tres electrodos lo hace posible.
Estos tres electrodos se conocen como electrodo de trabajo, electrodo de referencia y contraelectrodo (también llamado electrodo auxiliar).
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El electrodo de trabajo (WE) : La reacción de interés se produce en la interfaz del electrodo de trabajo. El electrodo de referencia (RE): El potencial del electrodo de referencia es bien conocido y estable. Es el punto de referencia del sistema de control y medición. El flujo de corriente a través de este electrodo se mantiene cerca de cero. El contraelectrodo (CE): La corriente fluye entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo. El contraelectrodo no tiene ningún papel en las reacciones electroquímicas, excepto en situaciones específicas: celda de batería, corrosión galvánica, mediciones de ruido electroquímico. |
Figura 3: Ejemplo de una configuración de tres electrodos.
Componentes clave de potenciostato: electrodo de referencia y amplificador de control
Para garantizar que las corrientes fluyan como resultado de variaciones de potencial en la interfaz del electrodo de trabajo, el potencial del electrodo de referencia debe permanecer estable y corresponder a su valor teórico. Debe mantenerse adecuadamente. (consulte Comprobación y validación de electrodos de referencia).
El amplificador de control (CA) es un componente electrónico clave en el potenciostato. Se utiliza para mantener la tensión entre el electrodo de referencia y el electrodo de trabajo lo más cerca posible de la tensión de la fuente de entrada E E_{\mathrm{i}}$. La Figura 4 muestra la posición del amplificador de control en un diseño simplificado de un potenciostato moderno .
Figura 4: Diseño básico de potenciostatos .
El potencial medido en el electrodo de referencia se devuelve a la entrada negativa del amplificador de control. Esto crea un bucle llamado «bucle de retroalimentación negativa», que permite al amplificador de control adaptar su salida y mantener una diferencia de potencial correspondiente a $E_{\mathrm{i}}$. Esto permite que el potenciostato controle con precisión la señal de voltaje y alcance el valor de ajuste correcto. Para obtener más información, consulte la Nota de aplicación biológica # 04: «Explicación del misterio de la estabilidad de potenciostatos».
En la siguiente parte de este artículo, describiremos la evolución tecnológica de los potenciostatos a lo largo del tiempo, desde su invención inicial hasta los últimos avances en el desarrollo de potenciostatos.
Mirando hacia atrás: La historia de los potenciostatos
El primer método potenciostático fue utilizado por F. G. Cottrell en 1903, que trabajó en la verificación de ecuaciones de transferencia de masa. Su experimento consistió en una célula electroquímica conectada a una batería en serie con un galvanómetro para la medición de una corriente. Sin embargo, en este momento, con un potenciostato tan simple, no era posible determinar la diferencia de potencial en la interfaz del electrodo de trabajo en el circuito.
Hickling, un electroquímico de la Universidad de Leicester, desarrolló, en 1942, el principio del potenciostato moderno de tres electrodos, que hoy conocemos. Hickling asumió que los procesos electrolíticos generalmente se rigen por el potencial del electrodo, que, hasta entonces, solo era controlable indirectamente modificando la temperatura, la densidad de corriente o los materiales del electrodo . Hickling añadió un tercer electrodo al sistema y desarrolló un medio para controlar automáticamente el potencial. El principio general detrás de este diseño era comparar la diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia utilizando voltaje derivado de un potenciómetro . Este principio utilizado en el potenciostato Hickling se basa en la tecnología de retroalimentación negativa (véase más arriba).
El potenciostato Hickling fue el primer potenciostato en utilizar un circuito de retroalimentación negativa para la medición y control de la tensión de los electrodos. En 1956, el electroquímico Prazak usó la palabra potenciostato para describir el instrumento electroquímico de Hickling.
Otro contribuyente importante al desarrollo de potenciostatos fue Hans Wenking, quien resolvió muchos problemas para los electroquímicos a finales de los años 50 y 60 al contribuir al diseño de la electrónica que todavía se utiliza en las estaciones de trabajo electroquímicas modernas de hoy en día .
Desde 1971, la retroalimentación negativa se ha logrado utilizando un componente electrónico, llamado amplificador de control . Para obtener más información sobre la retroalimentación negativa, visite el artículo del Centro de Aprendizaje Biológico » Obtenga más de su potenciostato. Comprender el ancho de banda & su efecto en las mediciones».
A partir de los años 70, la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) se ha convertido en una herramienta importante en la caracterización de sistemas electroquímicos. Desde entonces, la tecnología de potenciostatos ha avanzado constantemente con enormes mejoras en términos de funcionalidad, rendimiento y precisión. Uno de los problemas más difíciles al diseñar un potenciostato se relaciona con el fenómeno de caída óhmica (consulte el artículo «Corrección de caída óhmica: un medio para mejorar la precisión de la medición»). Estos versátiles instrumentos electroquímicos han evolucionado de potenciostatos simples a potenciostatos / galvanostatos, con dos modos principales de operación (ver definiciones de modos potenciostáticos y galvanostáticos anteriores).
Además, se han vuelto mucho más fáciles de usar y cada vez más potentes. El primer ejemplo de potenciostato multicanal controlado por ordenador se pudo ver en 1991 con el lanzamiento del MacPile. Este potenciostato fue inventado por dos investigadores franceses, Yves Chabre y Christian Mouget, y comercializado por BioLogic. El MacPile puede considerarse como el precursor de la amplia gama de potenciostatos / galvanostatos que ahora están disponibles en el mercado.
Figura 5: El primer potenciostato controlado por computadora multicanal del mundo
: La pila Mac, lanzada en 1991.
El principio de retroalimentación negativa inspirado en A. Hickling sigue siendo hasta el día de hoy la piedra angular del diseño de potenciostatos. El siguiente párrafo explica cómo funcionan los potenciostatos modernos.
Aplicaciones: ¿Cómo se utilizan los potenciostatos en la investigación académica y en la industria
En qué aplicaciones industriales y científicas se utilizan los potenciostatos?
Los potenciostatos / galvanostatos parecen ser una herramienta de análisis esencial en los campos científico e industrial. Son útiles en una amplia gama de aplicaciones y dominios, como el almacenamiento y la conversión de energía, la electroquímica, la ciencia de los materiales y las ciencias de la vida, por mencionar solo algunas. La Figura 5 a continuación ofrece una descripción general, y para obtener más información, puede aprender sobre el uso de potenciostatos por aplicación en el Centro de Aprendizaje Biológico.
Figura 6: Los potenciostatos están presentes en una amplia gama de aplicaciones industriales y científicas
Se centran en la electroquímica y el almacenamiento de energía: dos de los principales desafíos tecno-sociales en los que los potenciostatos están avanzando en la investigación y la industria
Potenciostatos y sensores
En la mayoría de las aplicaciones de electroquímica, los potenciostatos / galvanostatos contribuyen significativamente a una mayor comprensión, investigación y desarrollo de sistemas electroquímicos.
Debido a que los potenciostatos permiten la observación de reacciones redox, el potenciostato es la herramienta tradicional de elección para laboratorios especializados en electroquímica analítica. Por ejemplo, los potenciostatos VMP-300 se pueden utilizar para caracterizar especies o procesos electroquímicos utilizando la técnica de voltamperometría cíclica del software biológico EC-Lab®.
De manera similar, la voltamperometría cíclica y otras mediciones electroquímicas (voltamperometría de pulso diferencial y espectroscopia de impedancia electroquímica) se han utilizado con potenciostatos de un solo canal, como el biológico SP-50, para estudiar las propiedades electroanalíticas de un inmunosensor de tejido. Estos sensores portátiles monitorizan la concentración de cortisol en el sudor humano de forma no invasiva y en tiempo real. El nivel de cortisol en el cuerpo humano es una valiosa fuente de información, ya que una alta concentración de cortisol puede advertir de la presencia de un tumor .
Potenciostatos y corrosión
La corrosión también es un foco importante dentro de la electroquímica y un área donde los potenciostatos desempeñan un papel vital. El costo global de la corrosión se estima en 2,5 billones de dólares, y el control de la corrosión tiene el potencial de ahorrar entre 375 y 875 mil millones de dólares anuales (un asombroso 3,4% del PIB mundial en 2013). Consulte el artículo de nuestro Centro de Aprendizaje Recubrimientos, Corrosión y Electroquímica de Sonda de Escaneo. La corrosión puede tener un efecto devastador en la infraestructura, la producción/fabricación y el transporte, entre muchas otras actividades que dependen de la integridad del metal utilizado. Las estaciones de trabajo electroquímicas (potenciostatos) se utilizan en electroquímica general para ayudar a comprender mejor los procesos electroquímicos fundamentales que conducen a la degradación del metal en reacción con oxidantes como oxígeno o sulfatos.
Los potenciostatos también se utilizan en la ciencia de los materiales para ayudar a desarrollar recubrimientos y prevenir la corrosión. Son muy útiles para tales análisis porque permiten el estudio de las tasas de corrosión. Por ejemplo, se pueden estudiar las propiedades del material y las estructuras sobre las propiedades de corrosión del material . Además de potenciostatos, las estaciones de trabajo de sonda de escaneo se utilizan para comprender mejor los procesos electroquímicos locales que ocurren durante la corrosión. Las estaciones de trabajo con sonda de barrido ofrecen una visión «micro» de la corrosión, a diferencia de la vista» macro «obtenida con potenciostatos (para obtener más información, consulte el artículo»Recubrimientos, Corrosión y Electroquímica de sonda de barrido»). Un ejemplo del uso de estaciones de trabajo con sonda de barrido en estudios de corrosión es el análisis de la distribución de homogeneidad de impedancia de un material gracias a la técnica LEIS (Espectroscopia de Impedancia Electroquímica Localizada). Esta técnica de electroquímica de sonda de escaneo proporciona información detallada sobre la resistencia a la corrosión del sistema .
Almacenamiento de energía y baterías: Uso de potenciostatos en todos los niveles de la cadena de valor de las baterías
Los avances realizados en la investigación de baterías en la última década son nada menos que asombrosos. En 2010, la batería de iones de litio pasó a primer plano con el crecimiento exponencial de la industria de las telecomunicaciones y la penetración en el mercado del teléfono móvil. Un período de rápido desarrollo tecnológico significa que ahora vemos baterías de iones de litio que alimentan prácticamente todo lo que vemos en nuestro mundo moderno, incluso los automóviles. El cambio climático significa que la espada de Damocles pende sobre gran parte del mundo desarrollado con la desaparición de los combustibles fósiles y la necesidad vital de encontrar fuentes de energía de reemplazo. Con este fin, el almacenamiento de energía es fundamental para el desarrollo exitoso de estrategias de energía alternativa, y en este momento, las baterías parecen ser la tecnología más efectiva capaz de aprovechar la energía del sol, el mar y el viento. Por lo tanto, no es difícil entender por qué el mercado de baterías es tan importante. De hecho, el mercado mundial de baterías es un área de alto crecimiento y se espera que alcance los 2 279,7 mil millones para 2027 .
Los potenciostatos son tan importantes en la investigación porque permiten al usuario caracterizar cada parte de una celda de batería, pero también estresan la celda en su diseño final para caracterizar su rendimiento, a través del proceso repetido de carga/descarga, conocido como ciclo de batería. A medida que el rendimiento de la batería se vuelve cada vez más importante, la calidad del potenciostato y la capacidad del sistema para generar datos de interés apropiados también se vuelven críticos.
El papel del ciclador de baterías
Los potenciostatos han encontrado el favor en una variedad de campos industriales, principalmente gracias a la proliferación de baterías en una amplia variedad de campos, pero especialmente en las industrias automotriz y de telecomunicaciones. Con el crecimiento del mercado de baterías secundarias (recargables), ha surgido la necesidad de un nuevo instrumento de medición electroquímica: el ciclador de baterías. Los cicladores de batería comparten muchas de las características del potenciostato, pero esta herramienta de medición electroquímica se utiliza para responder a dos necesidades principales. Los fabricantes utilizan cicladores de baterías para controlar la calidad de las baterías que producen. Las principales organizaciones industriales compran estas baterías y luego las integran en sus productos. Los cicladores de baterías son utilizados por la industria para seleccionar y calificar baterías. A menudo, estas pruebas implican el ciclo de la batería para cuantificar su capacidad.
Durante su vida útil, la batería se puede asociar a un sistema de administración de baterías (BMS) que adapta el uso de la batería en relación con su Estado de carga o Estado de salud (consulte nuestro artículo del Centro de Aprendizaje: «Estados de la batería: Estado de carga (SoC) , Estado de Salud (SoH)»). Después de su uso inicial, la resistencia interna de la batería (cuya evolución está relacionada con el proceso de envejecimiento) se puede cuantificar mediante Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS) para determinar el siguiente paso para administrar la vida útil de la batería («segunda vida» es un término ampliamente utilizado para el upcycling y reciclaje de baterías).
Figura 7: La cadena de valor de la tecnología para baterías.
Mirando hacia adelante: El futuro de los potenciostatos
En este artículo, hemos citado solo algunos ejemplos de las muchas aplicaciones y oportunidades que ofrecen los potenciostatos / galvanostatos. Esta multiherramienta electroquímica desempeña un papel vital en laboratorios, institutos de investigación y centros R&D en todo el mundo. En todas las aplicaciones, hay una necesidad creciente de instrumentos de mayor precisión, precisión y rendimiento que impulsen la investigación de potenciostatos y especificaciones mejoradas de potenciostatos. La investigación de sensores es otra aplicación que exige herramientas analíticas cada vez más eficientes. Y el daño colosal causado por la corrosión (especialmente el agua de mar) significa que la próxima generación de potenciostatos continuará desempeñando un papel vital en la minimización de los daños a la infraestructura a través de la investigación fundamental y la investigación de recubrimientos y otras tecnologías.
Para el almacenamiento de energía, las nuevas químicas de baterías están en constante evolución. La nueva generación de iones de litio ofrece el nivel más alto de densidad de energía disponible actualmente. Se espera que las versiones de estado sólido de la química de litio-azufre ofrezcan un excelente potencial para los sectores espacial y de aviación, así como para la industria automotriz. Por último, el desarrollo de baterías de estado sólido requerirá potenciostatos cada vez más potentes con mayor funcionalidad y rendimiento. El potenciostato ya ha encontrado su lugar en la investigación fundamental y aplicada, R&D y en aplicaciones industriales. Pero aún no hemos empezado a ver el valor total de estas extraordinarias herramientas de medición.
Para obtener una descripción general de los galvanostatos potenciostáticos biológicos, haga clic aquí.
- Nota de aplicación # 04 «Explicación del misterio de la estabilidad del potenciostato».
- A. Hickling, Studies in electrode polarization, Part IV, (1942).
- A. Hickling, Electrochimica Acta, Vol 5, (1961) 161-168.
- R. Dölling, Materials and Corrosion, 49, (1998) 535-538.
- B. Petrescu, Sistema electroanalítico flexible controlado por ordenador, Tesis del Instituto Politécnico Nacional de Grenoble y de la Universidad Politécnica de Bucarest, 2002.
- S. Madhu, A. J. Anthuuvan, S. Ramasamy, P. Manickam, S. Bhansali, P. Nagamony, V. Chinnuswamy, ACS Applied Electronic Materials, 2, (2020) 499-509.
- Estudio sobre medidas internacionales de prevención, aplicación y economía de las tecnologías de corrosión, Informe internacional de la Nace
- H-R. Erfanian-Nazif’Toosi, H. F. Lopez: Journal of Materials and Applications, 9(1), (2020) 1-8.
- T. Liu, Y. Wang, S. Pan, Q. Zhao, C. Zhang, S. Gao, Z. Guo, N. Guo, W. Sand, X. Chang, L. Dong, Y. Yin, Corrosion Science, 149, (2019) 153-163.
- Informe Global del Mercado de Baterías 2020-2027, ResearchAndMarkets.Com
GLOSARIO
| Término | Definición |
| Ciclo de la batería | Técnica de proceso de prueba de baterías basada en fases de carga y descarga repetidas y sucesivas. |
| Amplificador de control | Dispositivo electrónico activo principal & parte del bucle de control analógico de un potenciostato, que suministra energía a una célula electroquímica . |
| Corriente | Cantidad física que describe el flujo de partículas cargadas (electrones, iones) en un conductor (unidad SI: A) |
| Electrodo de contador | Electrodo auxiliar que permite que la corriente fluya a través de la celda. |
| Potencial de electrodo (voltaje) | Cantidad que describe la diferencia de potencial entre ambos lados de la interfaz del electrodo (unidad SI: V). |
| Resistencia interna | Término genérico que no designa una resistencia específica en la batería. Es una característica suelta de la batería. |
| Retroalimentación negativa | El bucle operado por el amplificador de control. |
| Potenciostato / Galvanostato | Dispositivo electrónico capaz de aplicar una tensión y medir la respuesta de corriente (o viceversa) de una interfaz electroquímica. |
| Electrodo de referencia | Electrodo utilizado para medir la diferencia de potencial de una interfaz electroquímica. Su propio potencial es estable porque no es atravesado por una corriente. |
| Electrodo de trabajo | Un electrodo en el que se produce la reacción de interés. |