stringtranslate.com

Электрохимическое окно

Электрохимическое окно ( ЭО ) вещества — это диапазон электродного электрического потенциала , в пределах которого вещество не окисляется и не восстанавливается . ЭО — одна из важнейших характеристик, которую необходимо определить для растворителей и электролитов, используемых в электрохимических приложениях. ЭО — это термин, который обычно используется для обозначения диапазона потенциалов и разности потенциалов. Он рассчитывается путем вычитания восстановительного потенциала (катодного предела) из окислительного потенциала (анодного предела). [1]

Когда интересующим веществом является вода, ее часто называют водным окном .

Этот диапазон важен для эффективности электрода. За пределами этого диапазона электроды будут реагировать с электролитом, вместо того, чтобы управлять электрохимической реакцией. [2]

В принципе, аммиак имеет чрезвычайно маленькое электрохимическое окно, но термодинамически благоприятные реакции менее 1 В за пределами окна очень медленные. Следовательно, электрохимическое окно для многих практических реакций намного больше, сравнимо с водой. [3] Известно, что ионные жидкости имеют очень большое электрохимическое окно, около 4–5 В. [4]

Значение электрохимического окна (ЭХО) в органических батареях

Электрохимическое окно (ЭО) является важной концепцией в органическом электросинтезе и проектировании батарей, особенно органических батарей. [5] Это связано с тем, что при более высоком напряжении (более 4,0 В) органические электролиты разлагаются и мешают окислению и восстановлению органических материалов катода/анода. По этой причине лучшие органические электролиты должны характеризоваться более широким диапазоном электрохимического окна, т. е . большим, чем рабочий диапазон напряжения элемента батареи. [6] Например, электрохимическое окно бис-(трифторметансульфонил)имида лития, коммерчески известного как LiTFSI, составляет около 3,0 В, поскольку он может работать в диапазоне 1,9–4,9 В. [7] С другой стороны, для электролитов, которые характеризуются узким электрохимическим окном, они склонны к необратимому разложению, [8] что, в свою очередь, вызывает снижение емкости батареи во время последующего цикла батареи.

Электрохимическое окно органического электролита зависит от многих факторов, включая температуру, молекулярные граничные орбитали, такие как LUMO (низшая незанятая молекулярная орбиталь) и HOMO (высшая занятая молекулярная орбиталь), поскольку механизмы восстановления (приобретения электронов) и окисления (потери электронов) регулируются шириной запрещенной зоны между HOMO и LUMO . [9] Энергия сольватации также играет важную роль в определении электрохимического окна электролита. [10]

Для того чтобы сохранить термодинамическую стабильность рабочих условий электродных материалов в данном электролите, электрохимические потенциалы электродных материалов ( анода и катода) должны быть включены в электрохимическую стабильность электролита. [11] Это условие очень краткое, поскольку электролит может окисляться, когда материал катода обладает электрохимическим потенциалом, который меньше потенциала окисления электролита. Когда электрохимический потенциал материала анода значительно выше восстановительного потенциала электролита, электролит будет деградировать в результате процесса восстановления. [12] [13]

Ограничение электрохимического окна

Одним из недостатков электрохимического окна (ЭО) при прогнозировании стабильности электролита по отношению к материалам анода или катода является игнорирование напряжения и ионной проводимости, которые также важны. [14]

Ссылки

  1. ^ Маан Хайян; Фарук С. Мьялли; Мохд Али Хашим; Инас М. АльНашеф (2013). «Исследование электрохимических окон ионных жидкостей». Журнал промышленной и инженерной химии . 19 : 106–112. дои : 10.1016/j.jiec.2012.07.011.
  2. ^ Хаггинс, Роберт (2010). Современные батареи: аспекты материаловедения . Springer. стр. 375. ISBN 978-0-387-76423-8. OCLC  760155429.
  3. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Pergamon Press . стр. 488. ISBN 978-0-08-022057-4.
  4. ^ "Ионные жидкости". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Weinheim: Wiley-VCH. стр. 551. doi :10.1002/14356007.l14_l01. ISBN 978-3527306732.
  5. ^ Лич, Мэтью К.; Лэм, Кевин (апрель 2022 г.). «Практическое руководство по электросинтезу». Nature Reviews Chemistry . 6 (4): 275–286. doi :10.1038/s41570-022-00372-y. ISSN  2397-3358. PMID  37117870. S2CID  247585645.
  6. ^ Ли, Мэнцзе; Хикс, Роберт Пол; Чен, Цзыфэн; Ло, Чао; Го, Цзюйчэнь; Ван, Чуньшэн; Сюй, Юньхуа (22 февраля 2023 г.). «Электролиты в органических батареях». Химические обзоры . 123 (4): 1712–1773. doi : 10.1021/acs.chemrev.2c00374. ISSN  0009-2665. PMID  36735935. S2CID  256577160.
  7. ^ Ли, Мэнцзе; Хикс, Роберт Пол; Чен, Цзыфэн; Ло, Чао; Го, Цзюйчэнь; Ван, Чуньшэн; Сюй, Юньхуа (22 февраля 2023 г.). «Электролиты в органических батареях». Химические обзоры . 123 (4): 1712–1773. doi : 10.1021/acs.chemrev.2c00374. ISSN  0009-2665. PMID  36735935. S2CID  256577160.
  8. ^ Ли, Чэнхань; Чжоу, Ши; Дай, Лицзе; Чжоу, Сюаньи; Чжан, Бяо; Чен, Ливэнь; Цзэн, Дао; Лю, Ятинг; Тан, Юнфу; Цзян, Цзе; Хуан, Цзяньюй (9 ноября 2021 г.). «Пористый композитный твердый электролит полиамина и ПЭО для высокопроизводительных твердотельных литий-металлических батарей». Журнал химии материалов А. 9 (43): 24661–24669. дои : 10.1039/D1TA04599G. ISSN  2050-7496. S2CID  240888672.
  9. ^ Marchiori, Cleber FN; Carvalho, Rodrigo P.; Ebadi, Mahsa; Brandell, Daniel; Araujo, C. Moyses (2020-09-08). «Понимание окна электрохимической стабильности полимерных электролитов в твердотельных батареях с помощью моделирования в атомном масштабе: роль литий-ионных солей». Химия материалов . 32 (17): 7237–7246. doi :10.1021/acs.chemmater.0c01489. ISSN  0897-4756. S2CID  225384562.
  10. ^ Ван, Да; Хэ, Тинтин; Ван, Айпин; Го, Кай; Авдеев, Максим; Оуян, Чуин; Чэнь, Лицюань; Ши, Сыци (март 2023 г.). "База данных электрохимических окон на основе термодинамического цикла из 308 растворителей электролитов для перезаряжаемых батарей". Advanced Functional Materials . 33 (11). doi :10.1002/adfm.202212342. ISSN  1616-301X. S2CID  255457966.
  11. ^ Marchiori, Cleber FN; Carvalho, Rodrigo P.; Ebadi, Mahsa; Brandell, Daniel; Araujo, C. Moyses (2020-09-08). «Понимание окна электрохимической стабильности полимерных электролитов в твердотельных батареях с помощью моделирования в атомном масштабе: роль литий-ионных солей». Химия материалов . 32 (17): 7237–7246. doi :10.1021/acs.chemmater.0c01489. ISSN  0897-4756. S2CID  225384562.
  12. ^ Sekhar Manna, Surya; Bhauriyal, Preeti; Pathak, Biswarup (2020). «Определение подходящих ионных жидких электролитов для двухионных батарей Al: роль электрохимического окна, проводимости и напряжения». Materials Advances . 1 (5): 1354–1363. doi : 10.1039/D0MA00292E . S2CID  221802258.
  13. ^ Калиса, Ньиримбиби Даниэла; Мухизи, Теонестея; Нийотвизера, Жан Жак Ивеса; Барутванайо, Жан Батистеа; Нкуранга, Жан Боскоа (08 мая 2020 г.). «Кинетические и термодинамические исследования коррозионно-ингибирующих свойств экстракта кофейной шелухи на мягкой стали в кислой среде». Руандийский журнал техники, науки, технологий и окружающей среды . 3 (1). дои : 10.4314/rjeste.v3i1.10 . ISSN  2617-233Х.
  14. ^ Sekhar Manna, Surya; Bhauriyal, Preeti; Pathak, Biswarup (2020). «Определение подходящих ионных жидких электролитов для двухионных батарей Al: роль электрохимического окна, проводимости и напряжения». Materials Advances . 1 (5): 1354–1363. doi : 10.1039/D0MA00292E . S2CID  221802258.