Come potentiostats lavoro e il loro uso in Science & Industry (Elettrochimica Nozioni di base di Serie)

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Ultimo aggiornamento: 12 novembre, 2021

Il ruolo di potentiostats, la swiss army knives elettrochimico di ricerca, e il loro valore in R&D, controllo di qualità, e la batteria di test, tra gli altri industriali e scientifiche domini viene esaminato in questo articolo.

Dietro ogni buona decisione nella ricerca elettrochimica, si trova un buon potenziostato…

Gli strumenti di misurazione e analisi sono stati a lungo utilizzati nel mondo dell’industria e della ricerca per guidare l’innovazione. Oltre ad aumentare la nostra comprensione scientifica e tecnica, tali strumenti svolgono un ruolo vitale nel quantificare e qualificare fenomeni impercettibili ai sensi umani. I potenziostati sono un grande esempio di tali dispositivi analitici e hanno supportato i progressi nel campo dell’elettrochimica per più di un secolo.

I potenziostati (a volte indicati come stazioni di lavoro elettrochimiche o potenziostati / galvanostati) sono strumenti di misura e controllo vitali utilizzati principalmente nella ricerca elettrochimica, così come in altri campi industriali. In elettrochimica, i potenziostati sono utilizzati sia nella ricerca fondamentale che applicata per ottenere una maggiore comprensione dei processi degli elettrodi, della chimica analitica, della ricerca sulle batterie e della ricerca sulla corrosione. Le applicazioni secondarie includono la sintesi chimica e la biologia. Vedrete un elenco completo di queste applicazioni in questo articolo.

I potenziostati hanno dimostrato di essere strumenti importanti nello sviluppo di batterie secondarie grazie alla loro capacità di studiare le interfacce elettrochimiche. Essi consentono anche test della batteria attraverso la loro capacità di caricare e scaricare una batteria in condizioni predefinite.

Questo articolo fornirà un’ampia panoramica del ruolo del potenziostato nella ricerca e nell’industria e descriverà come funzionano.

In sintesi: cos’è un potenziostato / galvanostato?

Un potenziostato / galvanostato è uno strumento che gestisce l’applicazione di tensione o corrente ad un elettrodo di cella elettrochimica (descrizione dettagliata di seguito). Il potenziostato / galvanostato è lo strumento principale utilizzato negli esperimenti elettrochimici ed elettroanalitici.

Panoramica: modalità di funzionamento

Modalità potenziostatico / galvanostatico

I potenziostati / galvanostati hanno due modalità di funzionamento principali a seconda della quantità elettrica controllata: il potenziale o la corrente. Questi sono chiamati modi potenziostatici e galvanostatici (vedi Figure 1 & 2 sotto). Quando il potenziostato / galvanostato viene utilizzato in modalità potenziostatica, può essere indicato come potenziostato.

In modalità potenziostatica, il potenziostato applica e controlla il potenziale e misura la corrente che scorre attraverso il sistema elettrochimico (vedi Figura 1 sotto).

Figura 1: Principio della modalità potenziostatica.

In sintesi: Modalità potenziostatica

La modalità potenziostatica misura e controlla la differenza di tensione tra un elettrodo di lavoro e un elettrodo di riferimento, che ha un potenziale costante. Questo, forse il modo più comunemente usato di una workstation elettrochimica, misura il flusso di corrente tra l’elettrodo di lavoro e il controelettrodo (che completa il circuito della cella).

È comune applicare una “rampa di tensione” in cui la tensione viene applicata in modo incrementale (una tecnica potenziodinamica) la più popolare è la voltammetria ciclica (CV). La voltammetria ciclica è una tecnica semplice e veloce per ottenere il comportamento completo di un sistema elettrochimico (vedi Voltammetria ciclica: come ottenere grandi risultati con il potenziostato).

Le tecniche più comunemente utilizzate nella corrosione e nell’elettrochimica analitica si basano sulla modalità potenziostatica.

In modalità galvanostatica, lo strumento elettrochimico esegue le misure per le variazioni di potenziale mentre la corrente viene applicata e controllata (vedi Figura 2 sotto).

Figura 2: Principio della modalità galvanostatica.

In sintesi: Modalità galvanostatica

La modalità galvanostatica si basa sul controllo della corrente che scorre attraverso il sistema. Quando il dispositivo viene utilizzato per queste misurazioni viene chiamato galvanostato. L’applicazione più comune per la modalità galvanostatica è la ricerca sulle batterie.

Molte tecniche elettrochimiche moderne si basano su una successione di sequenze che utilizzano alternativamente modalità potenziostatiche e galvanostatiche. La possibilità di passare da una modalità all’altra è uno sviluppo relativamente recente nella progettazione del potenziostato, ma viene ampiamente utilizzato nei test della batteria in cui è necessario passare in rapida successione dalla modalità potenziato a galvano. Tale funzionalità richiede specifiche di fascia alta come quelle disponibili sui potenziostati biologici.

Altre modalità di funzionamento

Potenziostati hanno anche modalità di controllo specifici: la tensione a circuito aperto (OCV), la resistenza Zero Amperometro (ZRA) e dalla spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). Ognuna di queste modalità di controllo ha uno scopo specifico.

La modalità di controllo OCV consente l’acquisizione di dati di tensione quando la cella è in uno stato di riposo, ovvero quando il potenziostato non applica alcuna corrente o tensione all’elettrodo di lavoro della cella. Questa modalità di controllo è comunemente utilizzata per l’equilibrio della cella elettrochimica.

EIS designa una modalità di controllo sinusoidale. Il potenziostato applica un segnale di ingresso sinusoidale (corrente o tensione) e misura la risposta del sistema. Questa modalità di controllo è ampiamente utilizzata nei sistemi elettrochimici e di corrosione perché fornisce informazioni dettagliate sulla cinetica di reazione, sui tassi di corrosione e sui parametri di trasferimento di massa, tra gli altri. Per ulteriori informazioni sulla spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS), visitare l’articolo del Centro di apprendimento “Cos’è l’EIS”.

La modalità di controllo ZRA consente la determinazione del rumore di corrente elettrochimica applicando una tensione pari a 0 V tra l’elettrodo di lavoro e il controelettrodo (vedi descrizione degli elettrodi) e misurando la corrente che scorre tra i due campioni identici. Ulteriori informazioni sulle misurazioni elettrochimiche del rumore sono disponibili nella Nota applicativa n. 39-1.#39-2, #39-3

Un collegamento senza soluzione di continuità tra l’interfaccia potenziostato (software) e il potenziostato (hardware) rende facile per l’utente di gestire ogni modalità.

Nella parte successiva del documento, vedremo esattamente come funziona il potenziostato esaminando i componenti chiave e l’architettura del potenziostato.

Come funzionano i potenziostati / galvanostati?

Controllo del potenziale: la configurazione a tre elettrodi

Il potenziostato è uno strumento dedicato allo studio dei processi elettrochimici. Il controllo del potenziale dell’elettrodo di lavoro interfacciale è fondamentale per garantire che la corrente sia misurata a potenziale costante. Una configurazione a tre elettrodi rende questo possibile.

Questi tre elettrodi sono noti come elettrodo di lavoro, elettrodo di riferimento e controelettrodo (chiamato anche elettrodo ausiliario).

L’elettrodo di lavoro (WE) : La reazione di interesse avviene all’interfaccia dell’elettrodo di lavoro. L’elettrodo di riferimento (RE): Il potenziale dell’elettrodo di riferimento è ben noto e stabile. È il punto di riferimento del sistema per il controllo e la misurazione del potenziale. Il flusso di corrente attraverso questo elettrodo viene mantenuto vicino allo zero. Il controelettrodo (CE): La corrente scorre tra l’elettrodo di lavoro e il controelettrodo. Il controelettrodo non ha alcun ruolo nelle reazioni elettrochimiche ad eccezione di situazioni specifiche: cella di batteria, corrosione galvanica, misurazioni del rumore elettrochimico.

Figura 3: Esempio di configurazione a tre elettrodi.

Chiave potenziostato componenti: elettrodo di riferimento e amplificatore di controllo

Per garantire che le correnti fluiscano a seguito di variazioni di potenziale all’interfaccia dell’elettrodo di lavoro, il potenziale dell’elettrodo di riferimento deve rimanere stabile e corrispondere al suo valore teorico. Deve essere adeguatamente mantenuto. (vedere Controllo e convalida degli elettrodi di riferimento).

L’amplificatore di controllo (CA) è un componente elettronico chiave nel potenziostato. Viene utilizzato per mantenere la tensione tra l’elettrodo di riferimento e l’elettrodo di lavoro il più vicino possibile alla tensione della sorgente di ingresso $E_{\mathrm{i}}$. La figura 4 mostra la posizione dell’amplificatore di controllo in un design semplificato di un potenziostato moderno .

Figura 4: Design del potenziostato di base .

Il potenziale misurato sull’elettrodo di riferimento viene ricondotto all’ingresso negativo dell’amplificatore di controllo. Questo crea un ciclo chiamato “ciclo di feedback negativo”, che consente all’amplificatore di controllo di adattare la sua uscita e mantenere una differenza di potenziale corrispondente a $E_{\mathrm{i}}$. Ciò consente al potenziostato di controllare con precisione il segnale di tensione e raggiungere il giusto valore di setpoint. Per ulteriori informazioni, vedere la nota di applicazione biologica # 04: “Il mistero della stabilità del potenziostato spiegato”.

Nella prossima parte di questo articolo, descriveremo l’evoluzione tecnologica dei potenziostati nel tempo, dalla loro invenzione iniziale ai più recenti progressi nello sviluppo del potenziostato.

Guardando indietro: La storia dei potenziostati

Il primo metodo potenziostatico è stato utilizzato da F. G. Cottrell nel 1903 che ha lavorato sulla verifica di equazioni di trasferimento di massa. Il suo esperimento consisteva in una cella elettrochimica collegata a una batteria in serie con un galvanometro per la misurazione di una corrente. Tuttavia, a questo punto nel tempo, con un potenziostato così semplice, non è stato possibile accertare la differenza di potenziale all’interfaccia dell’elettrodo di lavoro nel circuito.

Hickling, un elettrochimico presso l’Università di Leicester ha sviluppato, nel 1942, il principio del moderno potenziostato a tre elettrodi, che ora conosciamo oggi. Hickling presumeva che i processi elettrolitici fossero generalmente governati dal potenziale dell’elettrodo, che, fino ad allora, era controllabile solo indirettamente modificando la temperatura, la densità di corrente o i materiali dell’elettrodo . Hickling ha aggiunto un terzo elettrodo al sistema e ha sviluppato un mezzo per controllare automaticamente il potenziale. Il principio generale alla base di questo progetto era quello di confrontare la differenza di potenziale tra l’elettrodo di lavoro e l’elettrodo di riferimento utilizzando la tensione derivata da un potenziometro . Questo principio utilizzato nel potenziostato Hickling si basa sulla tecnologia di feedback negativo (vedi sopra).

Il potenziostato di Hickling è stato il primo potenziostato ad utilizzare un circuito di feedback negativo per la misurazione e il controllo della tensione degli elettrodi. Nel 1956, l’elettrochimico Prazak usò la parola potenziostato per descrivere lo strumento elettrochimico di Hickling.

Un altro importante contributo allo sviluppo del potenziostato fu Hans Wenking che risolse molti problemi per gli elettrochimici alla fine degli anni ’50 e’ 60 contribuendo alla progettazione dell’elettronica ancora utilizzata nelle moderne workstation elettrochimiche di oggi .

Dal 1971, il feedback negativo è stato ottenuto utilizzando un componente elettronico, chiamato amplificatore di controllo . Per saperne di più sul feedback negativo, si prega di visitare il BioLogic Learning Center articolo “Ottenere di più dal potenziostato. Comprendere la larghezza di banda & il suo effetto sulle misurazioni”.

Dagli anni ‘ 70 in poi, la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) è diventata uno strumento importante nella caratterizzazione dei sistemi elettrochimici. Da allora, la tecnologia potentiostat è costantemente avanzata con enormi miglioramenti apportati in termini di funzionalità, prestazioni e precisione. Uno dei problemi più difficili nella progettazione di un potenziostato riguarda il fenomeno della caduta ohmica (vedi articolo “Correzione della caduta ohmica: un mezzo per migliorare la precisione di misura”). Questi versatili strumenti elettrochimici si sono evoluti da semplici potenziostati a potenziostati / galvanostati, con due principali modalità di funzionamento (vedi definizioni di modalità potenziostatica e galvanostatica sopra).

Inoltre, sono diventati molto più facili da usare e sempre più potenti. Il primo esempio di un potenziostato computerizzato multicanale potrebbe essere visto nel 1991 con il lancio del MacPile. Questo potenziostato è stato inventato da due ricercatori francesi, Yves Chabre e Christian Mouget, e commercializzato da BioLogic. Il MacPile può essere considerato come il precursore della vasta gamma di potenziostati / galvanostati ora disponibili sul mercato.

Figura 5: Il primo potenziostato controllato da computer multicanale al mondo
: Il Mac Pile, lanciato nel 1991.

Il principio del feedback negativo ispirato da A. Hickling rimane fino ad oggi la pietra angolare del design del potenziostato. Il paragrafo seguente spiega come funzionano i moderni potenziostati.

Applicazioni: Come vengono utilizzati i potenziostati nella ricerca accademica e nell’industria

In quali applicazioni industriali e scientifiche vengono utilizzati i potenziostati?

I potenziostati / galvanostati sembrano essere uno strumento di analisi essenziale in campo scientifico e industriale. Sono utili in una vasta gamma di applicazioni e domini come lo stoccaggio e la conversione dell’energia, l’elettrochimica, la scienza dei materiali e le scienze della vita, per citarne solo alcuni. La figura 5 di seguito fornisce una panoramica e, per ulteriori informazioni, è possibile conoscere l’uso del potenziostato per applicazione nel Centro di apprendimento biologico.

Figura 6: Potentiostats sono presenti in una vasta gamma di applicazioni industriali e scientifiche

Focus sull’elettrochimica e lo stoccaggio di energia: due dei principali techno-sfide per la società in cui potentiostats sono promuovere la ricerca e l’industria

Potentiostats e sensori

Nella maggior parte elettrochimica applicazioni, potentiostat / galvanostats contribuire in modo significativo verso una maggiore comprensione, la ricerca e lo sviluppo di sistemi elettrochimici.

Poiché i potenziostati consentono l’osservazione delle reazioni redox, il potenziostato è lo strumento tradizionale di scelta per i laboratori specializzati in elettrochimica analitica. Ad esempio, i potenziostati VMP-300 possono essere utilizzati per caratterizzare specie o processi elettrochimici utilizzando la tecnica di voltammetria ciclica del software biologico EC-Lab®.

Allo stesso modo, la voltammetria ciclica e altre misure elettrochimiche (voltammetria a impulsi differenziali e spettroscopia di impedenza elettrochimica) sono state utilizzate con potenziostati a canale singolo come il biologico SP-50 per studiare le proprietà elettroanalitiche di un immunosensore del tessuto. Questi sensori indossabili monitorano la concentrazione di cortisolo nel sudore umano in modo non invasivo e in tempo reale. Il livello di cortisolo nel corpo umano è una preziosa fonte di informazioni poiché un’alta concentrazione di cortisolo può avvertire della presenza di un tumore .

Potenziostati e corrosione

La corrosione è anche un obiettivo importante all’interno dell’elettrochimica e un’area in cui i potenziostati svolgono un ruolo vitale. Il costo globale della corrosione è stimato a trillion 2.5 trilioni di con controllo della corrosione che ha il potenziale per risparmiare 375-875 miliardi di dollari all’anno (uno sconcertante 3.4% del PIL globale nel 2013). Vedere il nostro Centro di apprendimento articolo Rivestimenti, corrosione e sonda di scansione elettrochimica. La corrosione può avere un effetto devastante sulle infrastrutture, produzione/produzione e trasporto tra molte altre attività che dipendono dall’integrità del metallo utilizzato. Le workstation elettrochimiche (potenziostati) sono utilizzate in elettrochimica generale per aiutare a comprendere meglio i processi elettrochimici fondamentali che portano alla degradazione del metallo in reazione con ossidanti come ossigeno o solfati.

Potenziostati sono utilizzati anche nella scienza dei materiali per aiutare a sviluppare rivestimenti e prevenire la corrosione. Sono molto utili per tali analisi perché consentono lo studio dei tassi di corrosione. Ad esempio, è possibile studiare le proprietà del materiale e le strutture sulle proprietà di corrosione del materiale . Oltre ai potenziostati, le stazioni di lavoro a sonda a scansione vengono utilizzate per comprendere meglio i processi elettrochimici locali che si verificano durante la corrosione. Le stazioni di lavoro delle sonde a scansione offrono una visione ” micro “della corrosione, in contrasto con la vista” macro “ottenuta con i potenziostati (per ulteriori informazioni, consultare l’articolo”Rivestimenti, corrosione e Elettrochimica delle sonde a scansione”). Un esempio di utilizzo di stazioni di lavoro a scansione in studi di corrosione è l’analisi della distribuzione di omogeneità di impedenza di un materiale grazie alla tecnica LEIS (Localized Electrochemical Impedance Spectroscopy). Questa tecnica di elettrochimica della sonda di scansione fornisce informazioni dettagliate sulla resistenza alla corrosione del sistema .

Accumulo di energia e batterie: uso del potenziostato ad ogni livello della catena del valore della batteria

I progressi compiuti nella ricerca sulle batterie nell’ultimo decennio sono a dir poco sconcertanti. Nel 2010 la batteria agli ioni di litio è venuto alla ribalta con la crescita esponenziale del settore delle telecomunicazioni e la penetrazione del mercato della telefonia mobile. Un periodo di rapido sviluppo tecnologico significa che ora vediamo batterie agli ioni di litio che alimentano praticamente tutto ciò che vediamo nel nostro mondo moderno-anche le auto. Il cambiamento climatico significa che la spada di damocle incombe su gran parte del mondo sviluppato con la scomparsa dei combustibili fossili e la necessità vitale di trovare fonti energetiche sostitutive. A tal fine, lo stoccaggio di energia è fondamentale per il successo dello sviluppo di strategie energetiche alternative – e in questo momento, le batterie sembrano essere probabilmente la tecnologia più efficace in grado di sfruttare la potenza del sole, del mare e del vento. Non è quindi difficile capire perché il mercato delle batterie sia così importante. In effetti, il mercato globale delle batterie è un’area di forte crescita e si prevede che raggiungerà Billion 279.7 miliardi entro il 2027 .

I potenziostati sono così importanti nella ricerca perché consentono all’utente di caratterizzare ogni parte di una batteria, ma anche di stressare la cella nel suo design finale al fine di caratterizzarne le prestazioni, attraverso il processo ripetuto di carica/scarica, noto come battery cycling. Poiché le prestazioni della batteria diventano sempre più importanti, anche la qualità del potenziostato e la capacità del sistema di portare a dati appropriati di interesse diventano fondamentali.

Il ruolo del battery cycler

I potenziostati hanno trovato il favore in una varietà di settori industriali, principalmente grazie alla proliferazione di batterie in un’ampia varietà di campi, ma soprattutto nelle industrie automobilistiche e delle telecomunicazioni. Con la crescita del mercato delle batterie secondarie (ricaricabili), è sorto il bisogno di un nuovo strumento di misura elettrochimica: il battery cycler. I ciclatori a batteria condividono molte delle caratteristiche del potenziostato, ma questo strumento di misura elettrochimica viene utilizzato per rispondere a due esigenze primarie. I produttori utilizzano i battery cyclers per controllare la qualità delle batterie che producono. Le principali organizzazioni industriali acquistano queste batterie e poi le integrano nei loro prodotti. I battery cyclers vengono quindi utilizzati dall’industria per selezionare e qualificare le batterie. Spesso, questi test coinvolgono batteria ciclismo al fine di quantificare la loro capacità.

Durante la sua vita, la batteria può essere associata a un sistema di gestione della batteria (BMS) che adatta l’uso della batteria in relazione al suo stato di carica o stato di salute (vedi il nostro articolo del Centro di apprendimento: “Stati della batteria: Stato di carica (SoC) , Stato di salute (SoH)”). Dopo il suo utilizzo iniziale, la resistenza interna della batteria (la cui evoluzione è legata al processo di invecchiamento) può essere quantificata utilizzando la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) al fine di determinare il passo successivo per la gestione della durata della batteria (“seconda vita” è un termine ampiamente usato per l’upcycling e il riciclaggio delle batterie).

Figura 7: La catena del valore tecnologico per le batterie.

Guardando avanti: Il futuro dei potenziostati

In questo articolo, abbiamo citato solo alcuni esempi delle numerose applicazioni e opportunità offerte da potenziostati / galvanostati. Questo multi-strumento elettrochimico svolge un ruolo vitale in laboratori, istituti di ricerca e centri R&D in tutto il mondo. In tutte le applicazioni, vi è una crescente necessità di strumenti di maggiore precisione, maggiore precisione e prestazioni più elevate che guideranno la ricerca del potenziostato e le specifiche migliorate del potenziostato. La ricerca dei sensori è un’altra applicazione che richiede strumenti analitici sempre più performanti. E il danno colossale causato dalla corrosione (in particolare l’acqua di mare) significa che la prossima generazione di potenziostati continuerà a svolgere un ruolo vitale nel ridurre al minimo i danni alle infrastrutture attraverso la ricerca fondamentale e la ricerca sui rivestimenti e altre tecnologie.

Per lo stoccaggio di energia, le nuove chimiche delle batterie sono in continua evoluzione. La nuova generazione di ioni di litio offre il più alto livello di densità di energia attualmente disponibile. Si prevede che le versioni a stato solido della chimica Litio-zolfo offrano un potenziale eccellente per i settori spaziale e aeronautico e per l’industria automobilistica. Infine, lo sviluppo di batterie a stato solido richiederà potenziostati sempre più potenti con una maggiore funzionalità e prestazioni. Il potenziostato ha già trovato il suo posto nella ricerca fondamentale e applicata, R&D e nelle applicazioni industriali. Ma non abbiamo ancora iniziato a vedere il pieno valore di questi straordinari strumenti di misurazione.

Per una panoramica dei galvanostati potenziostatici biologici, fare clic qui.

1. Nota applicativa #04 “Il mistero della stabilità del potenziostato spiegato”.
2. A. Hickling, Studi sulla polarizzazione degli elettrodi, Parte IV, (1942).
3. A. Hickling, Electrochimica Acta, Vol 5, (1961) 161-168.
4. R. Dölling, Materiali e corrosione, 49, (1998) 535-538.
5. B. Petrescu, Sistema elettroanalitico flessibile controllato da computer, Tesi del Politecnico Nazionale di Grenoble e dell’Università “Politehnica” di Bucarest, 2002.
6. S. Il nostro sito utilizza cookie tecnici e di terze parti per migliorare la tua esperienza di navigazione.
7. International measures of prevention, application, and economics of corrosion technologies study, Nace International report
8. H-R. Erfanian-Nazif’Toosi, H. F. Lopez: Journal of Materials and Applications, 9(1), (2020) 1-8.
9. T. Liu, Y. Wang, S. Pan, Q. Zhao, C. Zhang, S. Gao, Z. Guo, N. Guo, W. Sabbia, X. Chang, L. Dong, Y. Yin, Scienza della corrosione, 149, (2019) 153-163.
10. Global Battery Market Report 2020-2027, ResearchAndMarkets.Com

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