Materiały elektrodowe

Transkrypt

1 Materiały elektrodowe Potencjał (względem drugiej elektrody): różnica potencjałów pomiędzy elektrodami określa napięcie możliwe do uzyskania w ogniwie. Wpływa na ilość energii zgromadzonej w ogniwie. Pojemność grawimetryczna: określa, jaką ilość ładunku (w postaci jonów) można zgromadzić w jednostce masy materiału. W ogniwie pojemności elektrod powinny być dopasowane.

2 Elektrody i półogniwa metal/jon metalu metal/nierozpuszczalna sól gazowa redoks Elektroda zbierająca ładunek (current collector) przewodzi elektrony. Elektroda katalityczna ułatwia reakcję elektrodową. Właściwa reakcja następuje w materiale elektrodowym stałym, gazowym lub ciekłym

3 Elektroda rozprowadzająca ładunek

4 Reakcje elektrodowe Anoda (-) Katoda (+) utlenianie redukcja Ogniwo Daniella Anoda: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e.. (potencjał standardowy V ) Katoda: Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s).. (potencjał standardowy V ) Równanie całkowite: Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s).. ( OCV V )

5 Reakcje elektrodowe Przykłady: Ogniwo Leclanchego (suche bateria cynkowo węglowa) anoda (utlenianie Zn): Zn Zn e katoda (redukcja Mn(IV)): 2 MnO 2 + 2NH 4 + 2e 2 MnO(OH) + 2 NH 3 Zn(s) + 2 MnO 2 (s) + 2 NH 4 Cl(aq) ZnCl 2 (aq) + Mn 2 O 3 (s) + 2 NH3(aq) + H 2 O(l), : Zn(s) + 2 MnO 2 (s) + 2 NH 4 Cl(aq) ZnCl 2 (aq) + 2 MnO(OH)(s) + 2 NH 3 (aq). Zn(s) + 2MnO 2 (s) + 2 NH 4 Cl(aq) ZnCl 2 (aq) + Mn(OH) 2 (s) + 2 NH 3 (aq) Ogniwo alkaliczne Lewis Urry 1959 katoda: 2 MnO 2 + H 2 O + 2 e Mn 2 O OH anoda: Zn + 2 OH Zn(OH) e reakcja całkowita: 2 MnO 2 + H 2 O + Zn Mn 2 O 3 + Zn(OH) 2

6 Nature 414(6861):359, J.M. Tarascon, M. Armand Potencjał elektrody Podawany potencjał standardowy (wzgl. elektrody wodorowej) lub względem innego umownego odniesienia w danym zastosowaniu. Materiały do Li-ion: podawany potencjał względem metalicznego litu.

7 Elektrody interkalowane (Li-ion, Na-ion) Materiały elektrodowe mają mieszane przewodnictwo: - jonowe umożliwia proces interkalacji i deinterkalacji - elektronowe umożliwia wymianę elektronów

8 Elektrody w postaci roztworu Źrodło: ZBB/Maria Skyllas-Kazacos, prezentacja W płynnych elektrodach nie zgromadzimy duży ładunku w postaci jonów - ograniczeniem jest stężenie roztworu!

9 Potencjał elektrody C. Liu, Materials Today 19 (2016) 109 Przykład: potencjał względem litu narasta wraz z liczbą elektronów na orbitalach d

10 Pojemność, pojemność grawimetryczna Przypomnienie: WDFCS - ćwiczenia, dr Tomasz Pietrzak

11 Pojemność, pojemność grawimetryczna N. Nitta, Materials Today 18(2015) 252 Nie wszystkie materiały potrafimy wykorzystać w praktyce!

12 Interkalacja jako proces termodynamiczny G. Jian, Chinese Physics B, 2016, 25(1):

13 Interkalacja jako proces termodynamiczny Roztwór stały: stopniowe nasycenie struktury Przemiana fazowa I rodzaju: struktura uboga i bogata Przemiana I rodzaju z fazą pośrednią G. Jian, Chinese Physics B, 2016, 25(1):

14 Problem z przemianami fazowymi Każda przebudowa struktury może uwięzić jony. Niektóre materiały elektrodowe powinniśmy ładować tylko częściowo! LITHIUM Przykład: ogniwa Li-ion stosowane w bateriach mają ograniczane napięcie ładowania zbyt wysokie napięcie obniża pojemność ogniwa!

15 Krzywa ładowania i rozładowania C. Liu, Materials Today 19 (2016) 109 Pojemność zwykle maleje przy kolejnych cyklach ładowania/rozładowania

16 Profil napięciowy, krzywa ładowania Im więcej litu chcemy upchnąć w strukturze, tym mniejsza różnica potencjałów między katodą i anodą

17 Powierzchnia elektrod Elektrody metaliczne: wzrost dendrytów Elektrody interkalowane: warstwy pasywacyjne (SEI) Elektrody katalityczne: zatruwanie zanieczyszczeniami Nature Energy 1 (2016) 16071

18 Dendryty Nature Materials. DOI: /NMAT3793

19 Dendryty Solid State Ionics 295 (2016) 13-24

20 Warstwa pasywacyjna (SEI) DOI: /acsami.5b07517 ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, Znaczny opór warstwy SEI powoduje znaczną zmianę potencjału. SEI ma wpływ na stabilność elektrochemiczną elektrolitu.

21 Transport ładunku na złączu Procesy na złączu elektroda/elektrolit mogą nie nadążać z transportem jonów wpływa na moc ogniwa. Powstają warstwy zubożone w jony. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 26,

22 Warstwa podwójna Helmholtz Guoy-Chapman Stern