固体电化学

合集下载

固体材料的氧化还原电势与能带的关系

固体材料的氧化还原电势与能带的关系

固体材料的氧化还原电势与能带的关系固体材料的氧化还原电势与能带的关系是固体电化学研究中的重要内容之一,能带理论作为固体物理学和固体化学的基础理论之一,对于理解固体材料的性质和反应机理具有重要意义。

固体材料的氧化还原电势主要取决于材料的能带结构,能带理论提供了一种有效的方法来解释固体材料的电子结构和性质。

本文旨在探讨固体材料的氧化还原电势与能带的关系,深入分析能带理论在固体电化学研究中的应用。

固体电化学是研究固体材料在外加电场或电化学条件下的电学性质和化学性质的学科领域。

固体材料的氧化还原电势是指固体材料在氧化还原反应中电极反应的趋势,可以用来评价固体材料在电化学反应中的能力。

固体材料的氧化还原电势与能带的关系主要体现在材料的导电性和能带结构之间的联系。

材料的导电性与能带结构密切相关。

根据固体物理学的基本原理,材料的导电性主要由材料的能带结构决定。

固体材料的能带结构可以通过能带理论来描述,能带理论认为材料的电子结构可以通过填充能级来描述,材料中的电子在填充能级时会形成能带。

固体材料的导电性取决于能带中电子的输运性质,不同类型的能带结构会导致不同的导电性质。

从能带角度来看,金属材料通常具有部分填充的能带,电子在能带中可以自由移动,因此金属具有良好的导电性。

而绝缘体和半导体材料的能带结构则不同,能带中的电子受限于能级范围内,电子的运动受到限制,因此绝缘体和半导体的导电性较差。

固体材料的氧化还原电势与能带结构之间存在着深刻的内在联系。

在氧化还原反应中,固体材料的能带结构会发生变化,导致材料的电子结构和电荷状态发生改变。

具体而言,材料在氧化或还原过程中会失去或获得电子,导致能带结构的变化,从而影响材料的氧化还原电势。

材料的氧化还原电势可以通过能带结构中电子的输运性质来解释,氧化还原反应中电子的转移受到能带结构的限制,不同类型的能带结构对氧化还原反应的进行会有不同的影响。

在固体电化学研究中,能带理论被广泛应用于解释固体材料的电化学性质。

固体化学及其应用

固体化学及其应用

固体化学及其应用固体化学是研究固态物质的性质、结构和变化规律的科学。

它涉及到固体物质的合成、结构表征、物性测量以及在材料科学、能源储存、药物设计等领域的应用。

本文将从固体化学的基本概念、研究方法和应用领域等方面进行探讨。

一、固体化学的基本概念固体化学是研究固态物质的性质、结构和变化规律的科学。

固态物质是指具有一定形状和体积的物质,其分子、原子或离子之间通过化学键相互连接。

固体化学的研究对象包括无机固体、有机固体和聚合物等。

固体化学的基本概念包括晶体学、物相学、固体电化学和固体热力学等。

晶体学是固体化学的重要分支,研究晶体的结构和性质。

晶体是由原子、分子或离子按照一定的方式有序排列而形成的固体。

晶体的结构对其性质具有重要影响,晶体学的研究可以帮助人们了解固体物质的结构和性质。

物相学是研究固态物质的不同相态及其相互转化的科学。

物相是指具有一定的组成和结构的物质。

固体物质可以存在多种不同的物相,不同的物相具有不同的结构和性质。

物相学的研究可以揭示固态物质的相变规律,有助于人们理解材料的性质和变化过程。

固体电化学是研究固态物质中电荷转移和电化学反应的科学。

固体物质中的电化学反应可以导致电流的产生和能量的转化,固体电化学的研究对于能源储存和电化学传感器等领域具有重要意义。

固体热力学是研究固态物质的热力学性质和热力学变化规律的科学。

固态物质的热力学性质包括热容、热导率、热膨胀系数等,这些性质对于材料的热稳定性和热传导性能具有重要影响。

固体热力学的研究可以帮助人们了解固态物质的热力学性质和热力学变化规律。

二、固体化学的研究方法固体化学的研究方法包括实验方法、理论方法和计算方法等。

实验方法是通过实验手段对固态物质的性质和结构进行研究。

常用的实验方法包括X射线衍射、电子显微镜、热分析等技术。

理论方法是通过理论模型和计算方法对固态物质的性质和结构进行研究。

理论方法包括分子动力学模拟、密度泛函理论等。

这些方法可以帮助人们理解固态物质的微观结构和宏观性质。

固体电介质的击穿特性

固体电介质的击穿特性
普遍规律:任何介质的击穿总是从电气性能最薄 弱的缺陷处发展起来的,这里的缺陷可指电场的 集中,也可指介质的不均匀性
一、固体电介质的击穿过程
1. 固体电介质击穿特性的划分
击穿电压为一分钟耐压的百分比数(%) 15.3
500
450 400
350
300 250
区域A 区域B Φ50
200
区域C
150 100
Cathode
- +- ++ -




Anode


时,散出的热量Q与介质中最高温度tm的关系
θ 12 3
4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
曲线 1:
发热永远大于散热,介质温度将不断升高,在电压U1 下最终必定发生热击穿
θ 12 3 4 b
a
0 t0 ta
tk
tb
tm
不同外施电压下介质发热散热与介质温度的关系
(c)
异极性空间电荷的积累
概念:电介质在外加电场的 作用下,在金属电极与电介 质之间的界面上积聚了与施 加在该电极上的电压极性相 反的电荷,这些电荷称为异 极性空间电荷
特点:异极性空间电荷增强 金属电极与介质间的界面场 强,结果可导致介质整体击 穿电压的降低,如(b)所示 。当极性翻转时,可导致击 穿电压升高,如(c)所示
平衡点
ta<t<tb : 不 会 发 生 热 击 穿 ,介质温度将稳定在ta
不同外施电压下介质发热散热 与介质温度的关系
曲线 2:
与直线4相切,U2为临界热击穿电压;tk为临界热击穿温 度

固体电化学

固体电化学

固体电化学任何一个电化学装置都是由电介质和两个电极相互连接组成的。

或用于传感器,或用于化学电源。

为提高其性能就要对这三部分及他们之间的相互作用进行研究。

这不仅应对固体电解质本身的电学性质(电导率、离子电导率及与环境的关系、使用条件)进行研究;并且还要研究电介质与电极间的相互作用。

本章将介绍电化学的有关基本知识。

第一节固体电解质的电导和极化一电导和极化固体电解质中存在离子的大量空位,在电场作用下,离子可以迁移,离子在迁移过程中受到的阻力是电阻,我们常用电阻(欧姆)的倒数电导(1/欧姆)来表示离子导体样品的导电能力。

⒈、离子迁移率和离子电导率离子的移动速度为V(cm/s ), 与电场强度E(V/cm )成正比.(E= dφ/dx; 电压梯度V/cm)V= U E其中U是离子的迁移率:单位电场强度作用下载流子的迁移速度。

单位:(cm2/Vs)。

载流子产生的电流密度I 与导电粒子浓度C、粒子带电量(q = Z e)及粒子的迁移速度U 成正比:I = C q V具有多种电荷载体的固体电解质在电场中产生的总电流密度I等于各种载流子产生的分电流密度之和: I =∑I =I i +I e +I hI = ∑C k q k V k = ∑C k q k U k E k固体电解质中载流子的电导率 σ :单位长度单位截面电介质的电阻的倒数,或:当长度为1厘米的1立方厘米物体两端加1伏电压时,通过的电流安培数:因为: I =∑σk E kσ = ∑ σk = ∑ C k q k U k如果是混合导体,σi 为离子电导率,σe 为电子电导率;σ 为固体电解质的总电导率。

3、离子迁移数和电子迁移数固体电解质中离子及电子迁移数是导电离子及电子的电导率在固体电解质总电导率中所占的比例。

可用下式表示:t i i i=∑σσ σσe e t = t I = 1 - t e对于少量缺陷的固体电解质材料(电导率比较低),根据热力学理想溶液特性,其电导率与温度的关系为:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=kT E o o T exp σσ 固体电解质的电导率均随温度的升高而增大。

固态电解质的电化学测试方法

固态电解质的电化学测试方法

固态电解质的电化学测试方法1.引言1.1 概述概述固态电解质是一种新型电解质材料,具有良好的热稳定性、化学稳定性和电化学稳定性,被广泛应用于电池、超级电容器、传感器等领域。

而了解和掌握固态电解质的电化学性能对于研究和开发高性能能源材料和设备具有重要意义。

本文旨在总结固态电解质的电化学测试方法,系统介绍不同的测试手段及其原理,并探讨其应用前景。

通过对固态电解质电化学测试方法的综合分析和对比,旨在促进相关领域的研究人员深入理解固态电解质的电化学特性,进一步提高材料的性能和电池设备的性能。

在本文中,我们将首先介绍固态电解质的定义和重要性,概述固态电解质在能源领域的应用前景。

随后,我们将分类和介绍不同的电化学测试方法,并详细说明每种方法的原理和优缺点。

最后,我们将对固态电解质的电化学测试方法的应用前景进行探讨,并总结本文的主要观点。

通过本文的阅读,读者将对固态电解质的电化学测试方法有一个全面的了解,并能够根据实际情况选择合适的测试方法。

同时,本文的研究成果也可为固态电解质材料和相关电池设备的开发提供理论指导和技术支持。

本文的研究成果具有一定的创新性和应用价值,对于推动固态电解质领域的研究和发展具有积极的促进作用。

1.2 文章结构文章结构篇为:文章的结构是为了让读者更好地理解和掌握固态电解质的电化学测试方法。

本文结构如下:引言部分主要包括了对整篇文章的概述、文章的结构以及文章的目的。

首先,我们将简要介绍固态电解质的概念和它在电化学领域的重要性。

然后,我们将详细讨论不同分类的电化学测试方法以及它们的原理。

最后,在结论部分,我们将展望固态电解质的电化学测试方法的应用前景,并对全文进行总结。

引言部分的概述将为读者提供一个对固态电解质的概念和重要性有基本了解的背景。

我们将介绍固态电解质的定义及其在电化学领域中的重要作用。

通过了解固态电解质的基本概念和重要性,读者将更好地理解本文后续内容的意义和目的。

接下来,我们将介绍文章的结构。

固体氧化物燃料电池的热力学及电化学应用基础

固体氧化物燃料电池的热力学及电化学应用基础

2012 7 C h e m i ca l I ndu stry T i m es J u l. 7. 2012do i:10. 3969 /j.i ss n. 1002 -154X. 2012. 07. 015固体氧化物燃料电池的热力学及电化学应用基础蒋先锋( 中国矿业大学,化学与环境工程学院,北京100083)摘要固体氧化物燃料电池是一种典型的电化学装置,可以把燃料气和空气( 或氧气) 的化学能直接转化为电能。

电池的整个反应过程可以根据还原剂和氧化剂反应自由焓来进行热力学计算。

对于最简单的氢气和氧气的反应来说,可以根据可逆反应平衡方程式计算电池的可逆功,而且SOFC 系统和外部环境的热交换也是可逆的。

SO F C作为一种伴生热能的发电装置,对热力学的理解必不可少。

所以本文将首先介绍一下SOFC 的热力学基础,而作为一种电化学发电装置,需要系统了解SO FC 的电化学基础,其中重点介绍SO FC 的电化学分析曲线———i-V 曲线。

关键词固体氧化物燃料电池热力学电化学开路电压i -V 曲线T h e r m o d yna m i c and E l ect r o c h e m i s t r y Foundation of Solid Ox i d e Fuel C e llX i a n fe n g J i a n g( C h e m i ca l and En v i ro nm e n t En g i n eer i n g Sc h oo l,C h i n a Un i vers i ty of Mining and Tec hn o l ogy,Be iji n g,100083) Ab st r a ct So li d ox i d e f u e l ce ll ( SOFC) i s a ty p i ca l e l ectroc h e m i ca l d ev i ce,w h i c h can d i rect l y and eff i c i e n t l y convert c h e m i ca l energy in f u e l and a i r ( or oxygen) to e l ectr i c i ty. The overa ll react i o n process of SOFC can be ex- p l a i n e d by t h er m o d y n a m i c ca l c u l at i o n based on the react i o n free e n t h a l p y of redu cto r and ox i d a n t. For the s i mp l est re- act i o n of hydrogen and oxyge n,th e revers i b l e work of ce ll can be ca l c u l ate d based on the revers i b l e react i o n b a l a n ce e qu at i o n,a nd heat exchange between SOFC syste m and exter n a l e n v i ro nm e n t i s a l so revers i b l e.I t i s necessary to un- derstan d the t h er m o d y n a m i c of SOFC as an e l ectr i c i ty d ev i ce w i t h t h er m a l ge n erat i o n.T h er m o d y n a m i c fo und at i o n of SOFC was presen ted f i rst l y,a nd e l ectroc h e m i stry fo und at i o n and a n a l ys i s c u rve—i-V curve were syste m at i ca ll y i n tro- du ce d.K e ywo r d s So li d ox i d e f u e l ce ll t h er m o d y n a m i c e l ectroc h e m i stry open c i rc u i t vo l tage i -V curve固体氧化物燃料电池( SOFC) 作为一种电化学发电装置,是化学工程、化学工艺、材料化学、电化学、热力学等诸多化学学科的综合整体[1,2]。

固态电化学

固态电化学

固态电化学1. 简介固态电化学是研究固体材料中的离子传输和电子传导过程的一门学科。

它结合了电化学和固体物理学的知识,旨在理解固体材料中离子与电子的相互作用和运动规律。

固态电化学的研究对象包括固体离子传导体、固体电解质、固体电池和其他与固态电荷传输相关的材料与器件。

在能源领域,固态电化学的研究对于开发新型高效能源储存装置和电力传输设备具有重要意义。

2. 离子传输在固态材料中,离子传输是指正离子或负离子从一个离子发射极或离子吸附极传输到另一个相反极的过程。

这种离子传输可能是通过晶格的空隙或者通过固体电解质中的离子通道进行的。

固态材料中的离子传输受到温度、密度、晶格缺陷、化学势差等多种因素的影响。

研究固态材料的离子传输规律,可以帮助我们设计更高效、更稳定的离子传输材料。

3. 电子传导除了离子传输,固态材料中的电子传导也是固态电化学研究的重要内容之一。

电子传导是指电子在固态材料中的传输过程。

固态材料中的电子传导受到晶格结构、杂质、缺陷等因素的影响。

不同材料的电子传导方式也存在差异,有些材料呈现金属导电特性,而有些材料则呈现半导体或绝缘体导电特性。

4. 固体电解质固体电解质是一种能够在固态条件下传导离子的材料。

与液态电解质相比,固态电解质具有更好的稳定性和安全性。

固体电解质的研究对于固态电池和其他电化学器件的开发具有重要作用。

目前,固体电解质主要应用于锂离子电池、固态燃料电池、超级电容器等领域。

5. 固态电池固态电池是一种利用固态电解质来实现离子传输和电子传导的电化学装置。

相比于传统液态电池,固态电池具有更高的安全性、更长的使用寿命和更高的能量密度。

固态电池的研究主要集中在材料的设计与合成、界面工程和性能测试等方面。

固态电池目前在能源储存、电动车辆和智能电网等领域具有广阔的应用前景。

6. 应用前景固态电化学在能源领域具有广泛的应用前景。

随着可再生能源和电动车辆的快速发展,对高效能源储存和传输设备的需求日益增加。

电化学固体材料的密度泛函理论与计算模拟

电化学固体材料的密度泛函理论与计算模拟

电化学固体材料的密度泛函理论与计算模拟随着科技的不断发展,电化学固体材料因其独特的电化学性质和应用价值,引起了越来越多的关注和研究。

其中,基于密度泛函理论和计算模拟的研究方法,成为电化学固体材料研究的一大重要手段。

密度泛函理论是一种解决固体材料电子结构计算问题的理论方法。

其通过基态电子密度与势能之间的差异建立了电子总能量的泛函关系,从而可以计算出物质的各种性质。

在电化学固体材料研究中,密度泛函理论能够准确预测物质的电子结构、光电性质、磁性质等。

同时,密度泛函理论还可以对材料进行结构优化和反应动力学模拟,从而进一步探究电化学反应的机理和规律。

在以往的电化学固体材料研究中,实验方法往往受限于材料的制备难度、操作环境要求和测量准确度等因素,难以获得准确的实验数据。

而密度泛函理论可以对电化学固体材料进行数值模拟,避开了实验中的种种限制,为理解和预测电化学固体材料的性质提供了新的手段。

除了密度泛函理论,计算模拟也成为了电化学固体材料研究中的重要方法之一。

计算模拟通过建立电化学反应的模型,模拟反应的过程和机制,并计算出反应中参与物的能量变化、反应动力学参数等一系列信息。

与实验相比,计算模拟具有灵活操作、节约时间和成本、重现性好等优点。

尤其是在研究新型电化学储能材料时,计算模拟可以通过模拟新材料的结构和化学性质,帮助确定合适的合成方法和电化学性能测试方法。

当然,密度泛函理论与计算模拟方法也存在一些局限性和不足之处。

比如,在描述材料化学反应多相界面的情况下,密度泛函理论难以满足实验要求。

此外,在进行计算模拟时存在着材料大小和时间尺度限制等问题。

因此,科学家们正在努力提高模拟精度,拓展应用领域,以便更好地应对电化学固体材料研究中的问题。

综上所述,密度泛函理论与计算模拟成为了电化学固体材料研究中的重要方法,为我们揭示了电化学反应的多个细节方面。

与传统的实验方法相比,理论计算具有灵活、高效、可重复性等优点。

未来,随着计算机技术的不断提高和科学家们对这些方法的深入研究,密度泛函理论与计算模拟方法无疑将为电化学固体材料研究带来更多的突破和进展。

固体电解质的原理与使用.

固体电解质的原理与使用.

第8章 固体电解质的原理与使用
8
第一节 固体电解质概述
解决办法:在其中加入一定数量阳离子半径与Zr4+(离子 半径0.087nm)相近的氧化物,比如:CaO MgO等,其离子 半径分别为
Zr4+:0.087nm,Ca2+:0.106nm(大22%),Mg2+:0.078nm (小11.2%)
处理工艺:经过高温煅烧后,与ZrO2形成置换固溶体。
第8章 固体电解质的原理与使用
导电时伴随物质迁移, 在界面有化学反应发生;
电导率随温度升高 而增大。
3
第一节 固体电解质概述
离子在其中有较高迁移速度的固态物质 又称快离子导体
固体电解质


电解质
质 溶
大家族

第8章 固体电解质的原理与使用
熔 融 态
4
第一节 固体电解质概述
一种物质能否成为电解质导 体,不在于其形态是固态还 是液态,而在于离子在其中 是否具有高的迁移速度
11
第一节 固体电解质概述
稳定ZrO2的结晶构造 正方晶系
离子导电机理
第8章 固体电解质的原理与使用
12
第二节 氧化物固体电解质电池的工作原理
用途
用于测定气相中氧分压或者是液态金属中的氧活度
一、固体电解质氧电池氧浓差电池工作原理图
O2
P'' O2
电极 反应
P' O2
2O2 O2 4e
第8章 固体电解质的原理与使用
18
第三节 固体电解质测定钢液氧活度
固体电解质氧浓差电池在工业中的应用广泛:
各种炉气含氧量的分析 液态钢水中氧活度的测定 环境污染控制

固体电解质的电化学

固体电解质的电化学
固体电解质为离子导体,在研究其性能把它们组装成器件时,必须用两根金 属导线与之联接,形成两个电子导体/离子导体的界面,也就构成了电池。所以 固体电解质的研究一定会涉及电化学的各个方面。例如对于一个固体来说,它的 导电能力如何?是正负极离子导电还是电子、空穴导电?它们各占多少份额?它 们与温度和成分的关系又如何?这些问题在确定一个固体是否是快离子导体以 及在什么条件下才是快离子导体时是有必要研究清楚的。这些就是电解质学的任 务。图 1 所示是几种离子导体的 log(σT)(左纵坐标)或 logσ(右纵坐标)对 1/T 图。图中 σ 为电导率,T 为绝对温度。这是典型的 Arrhenius 图,通过图中直 线的斜率,可以求出电解质的电导活化能,这对于推断固体物质的导电机理是重 要依据。一般认为在测量温度范围内电导率大于 10-2 S cm-1 的离子导体才是快离 子导体。图中示出,在室温下 Ag4RbI5 有较高的电导率,我们可以用它来制作微
以上所述固体电解质的电化学测量是属于电解质学范围的。在进行固体电解 质的电导测量或把它们组装成电化学器件(电源、探头、计时器、贮能器等)时, 必须把它们与铂、石墨或能提供导电离子的金属连接以组成电池。而所测得的电 导数值或器件的性能往往与这种金属的性质的连接组装的方式密切相关。因此, 电子导体/离子倒替的界面就显的异常重要了,这就涉及固体电解质的电极学。 不论是固体电解质的电解质学或是电极学,所要测量的电化学参数与传统的电化 学参数是基本相同的(表 1),但固、液态的性质毕竟有所差异,故电池的组装 和测量方法将有所不同。表 2 所列是固体与液体电解质电化学性质的主要不同 点,对于固体电解质,它的不均匀性对性能的影响极大,因为单晶是各向异性的, 而多晶的晶界对电导率的影响不能忽视,这些在测量电导率时都应该加以分辨。 另外,电子导电性在液体电解质中一般是不存在的,但对固体电解质来说,测量 电子电导率往往是重要的课题。

211145454_Al3+掺杂石榴石LLZO_固体电解质的制备及电化学性能研究

211145454_Al3+掺杂石榴石LLZO_固体电解质的制备及电化学性能研究

第52卷第4期 辽 宁 化 工 Vol.52,No. 4 2023年4月 Liaoning Chemical Industry April,2023Al3+掺杂石榴石LLZO固体电解质的制备及电化学性能研究金浩,耿文博(内蒙古科技大学 材料与冶金学院,内蒙古 包头 014010)摘 要: 固体电解质拥有较高的离子电导率、良好的化学稳定性、长的循环寿命以及安全可靠等优点,被广泛应用到各个领域,成为当前研究的热点。

以LLZO固体电解质为研究对象,制备了不同含量Al掺杂的LLZO电解质材料,采用X射线衍射、扫描电镜和交流阻抗谱等方法对不同掺杂量和不同烧结温度下LLZO固体电解质的XRD、微观形貌及电导率进行了研究。

结果表明:少量Al的掺杂可以明显地提升LLZO固体电解质的电导率,但随着掺杂量的增加,Al3+增多,阻塞了Li+的传输通道,导致电导率下降。

同时,烧结温度对材料的性能也有一定影响,随着烧结温度的提升,同一含量Al掺杂LLZO的致密度和电导率也有明显提升。

关 键 词:LLZO固体电解质;掺杂改性;电导率中图分类号:TQ174.75+8.11 文献标识码: A 文章编号: 1004-0935(2023)04-0488-05电池作为重要的储能装置,已经经过了上百年的发展,在锌锰干电池、燃料电池、锂离子电池、太阳能电池、超级电容器等诸多储能装置中,锂离子电池因具有高比能量、高循环寿命、宽工作温度范围、质量轻、体积小、无记忆效应[1-3]等优势而被广泛地应用在航空航天、电子通信、电动汽车等领域。

锂离子电池的应用给我们的日常生活带来了极大的便利,手机电脑更加轻薄,可随身携带;电动汽车减少了燃油的使用,避免了尾气的排放。

但与此同时,由于锂离子电池采用聚合物或有机溶剂作为电解质,化学性质不稳定,易引起爆炸[4-6]。

近年来,“特斯拉”汽车、“三星”手机的爆炸均与这一安全隐患有关[7]。

因此选用电化学性质稳定、能量密度大、兼容性好的固体电解质是锂离子电池未来的发展趋势[8]。

固体化学及其应用

固体化学及其应用

固体化学及其应用
固体化学是研究固体物质的化学性质和反应的学科。

它的研究范围包括晶体结构、非晶态、固态反应、固态化学反应动力学、固体电化学等。

固体化学具有广泛的应用领域,包括材料科学、环境保护、能源存储与转化、催化剂、药物等方面。

在材料科学中,固体化学的研究可以帮助人们更好地理解材料的结构与性质之间的关系,从而设计和制备具有特定性质的材料。

例如,通过研究固态反应可以合成具有特定结构的无机材料,如合成陶瓷材料、高温超导材料、催化剂等。

同时,固体电化学也被广泛应用于电池、电容器、电化学传感器、电解水等领域。

在环境保护方面,固体化学的研究可以帮助人们更好地理解污染物与环境材料的相互作用,从而设计并合成高效的吸附剂、催化剂等环境材料。

例如,研究催化剂的固态反应可以合成高效的废气处理催化剂、有害气体吸附剂等。

在能源存储与转化领域,固体化学的研究也具有重要的意义。

例如,研究电池材料的固态反应可以帮助人们设计和制备具有高能量密度、长循环寿命的电池材料。

同时,固态电化学也可以用于制备高效的电解水催化剂等。

在药物领域,固体化学也被广泛应用于药物的制剂、输送和稳定性等方面。

例如,通过研究药物的晶体结构和非晶态可以提高药物的生物利用度和稳定性。

综上所述,固体化学是一门具有广泛应用前景的学科,它的研究
成果对于推动材料科学、环境保护、能源存储与转化、药物等领域的发展都具有重要的意义。

固体电解质的电化学

固体电解质的电化学
电化学动力学(电极过程动力学) 迁越过程(或称活化过程); 交换电流 io:迁越系数 β;迁越电阻 RCT 扩散过程:扩散系数 Di;Warburg 阻抗 Zw 反应过程:反应速率常数 kr 结晶过程
以上所举例子说明了电化学测量对固体电解质的研究和应用是非常重要的。 当然,用电化学方法测得的参数(电导率、迁移数等)是宏观的性质,他们还必 须和其他宏观物性(如热稳定性、密度等)、化学成分分析以及从衍射、散射、 吸收等各种波谱获得的微观性质相结合,以研究电解质电导的机理,探求进一步
ΔGAgBr, ti, t+,t-
化学电源: 微电池 贮能电池 燃料电池
一为可逆电极,另一为 Agl/ Ag2S/Pt
t-,u-,c-,D- 电化学器件:
半阻塞电子电极
“Wagner 不对称电池” t+,u+,c+,D+ 库仑计,定时器,
双层电容
记忆元件…
分解电势
一为可逆电极,另一为 Ag/Ag2S/AgI/Ag 半阻塞离子电极
可逆电极(电子、离子全能导通),如 Ag/Ag2S 半阻塞电子电极(由电子导体引出,对离子阻塞),如 Pt/Ag2S 半阻塞离子电极(由离子导体引出,对电子阻塞),如 Ag/AgCl/Ag2S 全阻塞电极(电子、离子全部阻塞),如 Pt/AgI 利用这四种电极可以组装成不同类型的电池,供电化学研究和实际应用[6,7]。 表 3 列出了各种电池的例子及其应用。其中第 3 中电池由一个可逆电极和一个半 阻塞电子电极组成。这种电池对于研究固体电解质中存在的电子导电性最为有 利。通过稳态的和暂态的电化学测量,可以分辨其中的电子和空穴导电性,从而 求出相应的迁移数、淌度、载流子浓度和扩散系数,以至于半阻塞电极的界面电 容[8]。这种电池又是各种电化学器件的基础。 从固体电解质的电化学研究来说,几乎传统电化学的研究都在使用,包括平 衡电势测量、电导测量、电迁移测量、稳态极化曲线(伏安关系)、暂态的电势电流-时间关系(包括电量和电势关系)、电极阻抗等。本文重点讨论阻抗谱和伏 安测量的问题。

固体电解质应用技术及实例分析资料

固体电解质应用技术及实例分析资料

3 氧化物固体电解质电池的工作原理
氧浓差电池工作原理示意图
3 氧化物固体电解质电池的工作原理
高氧分压端的电极反应为
O 2(pO 2II)4e2O2
(3-1)
气相中的1个氧分子夺取电极上的4个电子,成为2个
氧离子并进入晶体。该电极失去4个电子,因而带正电,
是正极。
3 氧化物固体电解质电池的工作原理
2. ZrO2的性质
固溶体与空位
如果在ZrO2中加入一定数量的阳离子半径与Zr4+ 相近的氧化物,如 CaO、MgO、Y2O3、Sc2O3等,经高温煅烧后,它们与ZrO2形成置换 式固溶体。
掺杂后,ZrO2晶形将变为立方晶系,并且不再随温度变化,称 为稳定的ZrO2。掺入CaO的ZrO2可记作ZrO2-CaO或ZrO2(CaO),其余 类同。
O 2(pO 2II)O 2(pO 2I)
相当于氧从高氧分压端向低氧分压端迁移,反应 的自由能变化为
(3-3) G G O 2 R lp O n 2 I T ( G O 2 R lp O n 2 I T ) I R lp O n 2 I T / p I O 2 I ( )
由热力学得知,恒温恒压下体系自由能的降低 ,等于体系对外所做的最大有用功,即
氧化锆固体电解质是一种功能陶瓷材料。 当氧化锆ZrO2中掺入低价氧化物(如MgO、CaO、Y2O3等)并形成 置换式固溶体后,在固溶体晶体中便形成大量的氧离子空位,使得 氧离子在其中的迁移能力大大增强,成为氧离子导电的固体电解质。
2. ZrO2的性质
ZrO2-CaO固溶体示意图
由于加入的氧化物中,其离子与锆离子的化合价不同 ,因而形成 置换式固溶体时,为了保证晶体的电中性,晶格中将产生氧离子 的空位,如图所示。

固体电解质电池及其应用ppt课件

固体电解质电池及其应用ppt课件

O21/ 4/Ph1/4
(6-18)
将式(6-17)、(6-18)代入式(6-13)得离子迁移率 与氧分压的关系为
ti
1
p 1 / 4 O2
p 1 / 4 e
p1/ 4 O2
p
1 h
/
4
1
(6-19)
6.2.2 电子导电对电动势的影响
把电解质看成由三部分组成:纯离子导体、电
子导体与电子空穴导体。置于 pO2 pO2 dpO2 之 间, dE测 ti dE ,则
6.4.1 产生的原因
在变高成温分低子氧分向压气下相,溢晶出格,上留的下氧氧离离子子O0空,位可 VO•• 和自由电子e:
O0 1/ 2O2 VO•• 2e
(6-9)
其平衡常数为:
K1
(e)
2
(VO••
)
P1/ O2
2
(O0 )
(6-10)
正 度都常很结大点,上可氧看离作子常浓数度。O式0、(氧6-离10子)空变为位:浓
(e)
K1'
P1/ 4 O2
(6-11)
自由电子浓度与氧压的1/4次方成反比,即 氧压越低,自由电子浓度越大。
在高温高氧分压下,气相中氧有夺取电子,
占据氧空位的趋势,并在电解质中产生电子
空穴(正空穴)
1/ 2O2 VO•• OO 2h. (6-12)
K2
(OO )(h)2 V P •• 1/ 2
ZrO2具有很好的耐高温性能以及化学稳定性。 它在常温下是单斜晶系晶体,当温度升高到大约 11500C时发生相变,成为正方晶系,同时产生大 约9%(有资料介绍为7%)的体积收缩。温度下 降时相变又会逆转。由于ZrO2晶形随温度变化, 因此它也是是不稳定的。

电化学模型单颗粒模型 固体锂离子浓度计算

电化学模型单颗粒模型 固体锂离子浓度计算

电化学模型是描述电化学反应和过程的数学模型,其应用包括锂电池的设计和优化。

在固体锂离子电池中,固体锂离子浓度计算是十分重要的一环,可以帮助研究人员更好地了解电池的工作原理和性能。

一、电化学模型电化学模型是通过描述电极和电解质中化学物质的浓度、电荷转移和反应速率,来模拟电化学系统的数学模型。

在固体锂离子电池中,电化学模型可以帮助研究人员预测电池的性能、优化电池设计和控制电池工作状态。

二、单颗粒模型固体锂离子电池中包括正极、负极和固体电解质,为了更精确地描述电极内部的反应,研究人员提出了单颗粒模型。

单颗粒模型是基于电极内单个颗粒(或晶格)的电化学反应,将电极内部的浓度分布和扩散过程考虑在内,可以更准确地描述锂离子在电极内的传输和反应过程。

三、固体锂离子浓度计算1. 浓度梯度的建模固体锂离子电池中,锂离子的浓度分布会受到电极材料的吸附、扩散和反应的影响,因此需要建立数学模型来描述锂离子的浓度梯度。

通过扩散方程和Nernst-Planck方程,可以建立电极内锂离子浓度的分布模型。

2. 反应速率的计算在固体锂离子电池中,电化学反应的速率和浓度之间存在着密切的关系。

研究人员可以通过电化学反应动力学方程和电极内部浓度的分布,计算得到电化学反应的速率,从而进一步理解锂离子在电极内的传输和反应过程。

3. 热效应的考虑在固体锂离子电池中,电化学反应和传输过程会产生一定的热效应,影响电池的温度和性能。

在固体锂离子浓度计算中,还需要考虑热效应的影响,建立热传导方程和热电偶方程,来模拟电极内部的温度分布和热效应。

四、结论固体锂离子浓度计算是固体锂离子电池研究中的重要工作之一,通过建立电化学模型和单颗粒模型,可以更准确地描述电极内锂离子的传输和反应过程,为电池设计和优化提供理论基础和技术支持。

希望随着相关技术的不断发展,固体锂离子电池可以实现更高的能量密度、更长的循环寿命和更高的安全性能。

固体锂离子浓度计算在固体锂离子电池研究中扮演着至关重要的角色,通过建立电化学模型和单颗粒模型,可以更准确地描述电极内锂离子的传输和反应过程。

储能科学与技术锂离子固体电解质研究中的电化学测试方法

储能科学与技术锂离子固体电解质研究中的电化学测试方法

储能科学与技术锂离子固体电解质研究中的电化学测试方法下载提示:该文档是本店铺精心编制而成的,希望大家下载后,能够帮助大家解决实际问题。

文档下载后可定制修改,请根据实际需要进行调整和使用,谢谢!本店铺为大家提供各种类型的实用资料,如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等,想了解不同资料格式和写法,敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!储能科学与技术:锂离子固体电解质研究中的电化学测试方法引言随着能源需求的不断增长以及对环境友好型能源存储系统的需求日益增加,锂离子固态电解质作为一种具有潜力的电池材料备受关注。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

固体电化学任何一个电化学装置都是由电介质和两个电极相互连接组成的。

或用于传感器,或用于化学电源。

为提高其性能就要对这三部分及他们之间的相互作用进行研究。

这不仅应对固体电解质本身的电学性质(电导率、离子电导率及与环境的关系、使用条件)进行研究;并且还要研究电介质与电极间的相互作用。

本章将介绍电化学的有关基本知识。

第一节固体电解质的电导和极化一电导和极化固体电解质中存在离子的大量空位,在电场作用下,离子可以迁移,离子在迁移过程中受到的阻力是电阻,我们常用电阻(欧姆)的倒数电导(1/欧姆)来表示离子导体样品的导电能力。

⒈、离子迁移率和离子电导率离子的移动速度为V(cm/s ), 与电场强度E(V/cm )成正比.(E= dφ/dx; 电压梯度V/cm)V= U E其中U是离子的迁移率:单位电场强度作用下载流子的迁移速度。

单位:(cm2/Vs)。

载流子产生的电流密度I 与导电粒子浓度C、粒子带电量(q = Z e)及粒子的迁移速度U 成正比:I = C q V具有多种电荷载体的固体电解质在电场中产生的总电流密度I等于各种载流子产生的分电流密度之和: I =∑I =I i +I e +I hI = ∑C k q k V k = ∑C k q k U k E k固体电解质中载流子的电导率 σ :单位长度单位截面电介质的电阻的倒数,或:当长度为1厘米的1立方厘米物体两端加1伏电压时,通过的电流安培数:因为: I =∑σk E kσ = ∑ σk = ∑ C k q k U k如果是混合导体,σi 为离子电导率,σe 为电子电导率;σ 为固体电解质的总电导率。

3、离子迁移数和电子迁移数固体电解质中离子及电子迁移数是导电离子及电子的电导率在固体电解质总电导率中所占的比例。

可用下式表示:t i i i=∑σσ σσe e t = t I = 1 - t e对于少量缺陷的固体电解质材料(电导率比较低),根据热力学理想溶液特性,其电导率与温度的关系为:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=kT E o o T exp σσ 固体电解质的电导率均随温度的升高而增大。

以lg(σT)∽(1/T)作图,从图中曲线的斜率可得活化能 E 0。

但是,对于高电导率的固体电解质材料,其导电机理不能用稀释点缺陷理论来解释,现在还没有得出理论推导的关系式;可按Arrhenius 方程式进行处理,离子晶体的电导率与温度的关系可以表示为: σσ=-⎛⎝ ⎫⎭⎪o E kT oexpE0 是电导活化能;k是Boltzmann常数。

以lg(σ)对(1/T)作图,由直线的斜率可得出活化能E0。

4、电极极化固体电解质在使用和测量时,特别是与不可逆电极或可逆性较差的电极联结时,在电场的作用下,固体电解质中正负离子迁移,常可观察到电极界面上的极化现象(极化是由一种平衡态过度到另一种平衡态的过程)。

极化电动势是逐渐建立的,随时间的增长,在界面上形成一与电场相反的极化电势,部分地抵消了原来的电动势。

当极化电动势达到最大时,电流随时间下降到最小,达到稳态。

这个随时间衰减的电流称为吸收电流或电容电流。

界面上具有很大的交换电流的电极在电化学上称为可逆电极;交换电流接近于零的电极称为极化电极(或阻塞电极)介于两者之间的叫半阻塞电极。

交换电流与电极极化的关系∆ϕ=RT nFii0式中,Δφ是极化电动势;i 是电极极化时通过的电流;i是交换电流。

常用的可逆电极有:①、金属电极与该金属阳离子导电的电介质体系;如: Ag | AgI ;Ag | Ag2S ;Na1-x Hg x| Naβ-AL2O3②、金属电极与该金属盐阴离子导电的电介质体系;如:Pb | PbF2等。

③、可透过气体的金属电极;如:(Po2),Pt | ZrO2 。

④、固溶体电极:各种金属氧化物或硫族元素化合物电极与相应的碱金属离子导体相接触,碱金属离子可通过电极的固相扩散,与电极形成化学计量可连续变化的嵌入化合物。

如:Li | LiCoO, V6O13 ;TiS2 等。

混合导体材料电极可以大大地降低极化电动势。

阻塞电极:当电介质为纯离子导体(没有电子导电),与其它金属电极组成全阻塞电极;如:Pt | AgI ;C | AgBr | Ag。

半阻塞电极有两种:①、电子导体引出的半阻塞电极:由于电介质有时存在部分电子导电,因此在离子阻塞的情况下,电子可由电极通过电解质;如:Pt | Ag2S (电子可通过,而Ag+离子不能通过)②、离子导体引出的半阻塞电极:如:C | AgCl | AgI二、阻抗测量固体电解质样品的阻抗测量结果在很大程度上决定于它在电极上的界面极化阻抗,因此,对测量电极的选择极其重要。

为避免电极极化和接触电阻对样品电阻测量结果的影响,要求电极与样品接触可靠(润湿性要好),接触电阻要小;并且,电极与样品的可逆性(存在导电离子的交换)要好,如:测量银离子导体电阻,可通过喷涂、溅射等方法,在样品表面生成银电极。

1、直流法:直流法测量电导(阻抗),要求测量电极对电解质有很好的可逆性,尽可能减少电极与电解质接触电阻和接触电容(以避免电极极化的影响)。

有时由于固体电解质在室温时固体电解质与电极间润湿不好,如:Na |Naβ-Al2O3,可以经过高温融化或电解处理,改善润湿性。

可采用四探针法测量高电导样品,以避免测量电极与样品间的接触电阻影响。

电极可逆性不好时,由于电极的极化,用直流法测量电阻时,有极间电容存在,测量电流会逐渐减小,只有采用瞬态(t=0)测量才可以测得真实电阻,直流法电阻测量结果有局限性。

对于阻抗较大的电介质材料也不宜使用直流法,因为电介质材料上不能加较高的电压,以免电介质分解。

所以一般不采用直流法测量电介质的阻抗。

2、交流伏安法和交流电桥法:使用交流电可以避免电解质分解;可精确地测定固体电解质的电导和电阻。

测量频率通常高于0.1Hz-104Hz;阻抗大于10欧姆时,可用单臂电桥;阻抗小于10欧姆时,为消除引线电阻的影响,须使用双臂电桥。

在交流外电场作用下,极化过程和测量频率 f 有关,电场电压变化快,离子迁移速度U 快,电导率增大(电阻下降)。

交流阻抗与测量频率f有如下关系R R K f=+∞式中,R∞是测量频率为无限大时的固体电解质电阻,此时极化电阻为零;K为常数,与电极性质有关:使用不同电极材料,产生的极化影响不同,测量值曲线的斜率不同;只有频率高时,测量的结果才接近样品的真实值。

测量各种频率下样品的电阻,作出电阻和频率倒数的直线图,外推至频率为无穷大的电阻值即为样品的电阻R∞。

也可使用交流伏安法测量固体电解质的电阻IVR jz o=+R = V/I - jZ0其中,z o为串联于样品上电极的极化电容容抗,作出阻抗与频率倒数的直线,外推至频率无穷时的电阻值即为样品的电阻。

所以,在同一频率下,交流伏安法测量的阻抗大于交流电桥法测定的阻抗。

但两法外推至频率无穷大时的电阻值是相同的。

但是固体电解质在测量时,除了有测量电极的极化阻抗影响外,还存在固体电介质内部不均匀晶界的极化现象,造成的阻抗,交流电桥无法区分。

3、交流阻抗谱由于电极界面极化,直流测量电导时测量电流会随时间变化(减小);交流测量电导时则与测量频率有关。

测量多晶样品时,存在电极极化阻抗,固体电解质内部还存在不均匀相界(晶界)的极化阻抗。

此时固体电解质样品阻抗测量的等效电路可以看成为:测量的电解质本身的阻抗Z e、电极界面阻抗Z i和电极与电介质界面电容C g等的串并联电路的总阻抗。

因此用交流法测量时,测量值会随频率变化。

因为样品上加一交流电压V(ωt)=Asinωt样品电流I(ωt)=A′sin(ωt+θ)得到的阻抗Z = V/I ,是一个复数,模为:|Z| = A/A′;相位角为:θ。

电容的容抗与电阻相位差为900; 测量的阻抗是它们的矢量和,得用复数形式表示: Z = Z' + jZ" ;为复数平面上第四象限的一个点。

其中:j = (-1)1/2; Z" = -1/ωC ;ω= 2πf ;测量的数值为阻抗的模|Z|= (Z'2+ Z"2)1/2 ;相位角θ = tg-1(Z"/ Z') ;也可以用复阻抗的倒数复导纳来表示:|Y| = 1/|Z| ; Y = y' + jy";Y = |y| exp(jθ) ;y' = |Y| cosθ ; y" = |Y| sinθ ;存在相互关系:Z'/ y' = Z"/ y" = (Z')2+( Z")2 = 1/[( y')2+( y")2] ;一般可写成复平面第一象限形式:Z = Z' - jZ";Y = y' + jy"应用交流电桥测量样品阻抗,可以得到样品的电阻和容抗之和的模。

如果把不同频率(10-1-104Hz)下测出的电阻(Z')和容抗(Z″)在复数平面上(横轴为电阻Z′,纵轴为容抗Z″)作复数平面图,,得到一系列的点组成的复数平面图,此复数平面图称为交流阻抗谱。

分析此等效电路的测量图形,可以得到电解质的阻抗和电极的相应性质。

Z '= R , ''=Z C g1ω ;Cg = 2πf Z ″ 。

各种等效电路的阻抗谱图: 1、纯电阻的交流阻抗谱图为复数平面中实轴上的一个点。

2、纯电容的交流阻抗谱图为复数平面中虚轴上的一串点。

3、电阻与电容串联的阻抗谱图为复平面平行于虚轴的一串点。

4、电阻与电容并联的阻抗谱图为复平面中以实轴为直径、过原点的上半圆;圆的半径为 R/2 ; 圆心为(R/2,0)半圆与实轴的交点R 为电阻;最高点为 X = R/2 = 1/ωc ;C = πf R 即为与之并联的电容值。

5、R 1,C 并联再与电阻R 2串联;阻抗谱与上图相似,半圆与实轴的两个交点,分别为:R 2 和 R 1+R 2 ;半圆的圆心为 ( R 2+ R 1/2,0) ; 半径为 R 1/2 。

用不可逆电极测量单晶阻抗并联的电阻电容为电极与电解质间的极间界面电阻和电容。

如果,使用全阻塞电极,则电极与电解质间的界面电阻接近无穷大,可简化成第3种情况。

6、R 1,C 1并联再与电阻R 2,C 2串联;阻抗谱图与上图相似;半圆的低频端多了一串与虚轴平行的点。

用不可逆电极测量多晶电阻时,并联的电阻电容为晶界的电阻和电容;7、R 1,C 1并联再与电容C 2串联;阻抗谱图与4相似;在半圆的低频端多了一串平行于虚轴的点。

8、两组R 1,C 1并联电路串联在一起,再与电阻R 串联:其阻抗谱为实轴上两个连在一起的半圆;与实轴的交点分别为 R, R + R i1,R + R i1 + R i2;两半圆的圆心坐标分别为:(R+ R i1/2, 0),(R+R i1+ R i2/2,0);半径分别为:R i1/2, R i2/2 。

相关文档
最新文档