【화학】 15-2강. 전기화학 반응속도론과 배터리

15-2강. 전기화학 반응속도론과 배터리 

 

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1. 전기화학 반응속도론 [본문]

2. Rct : charge-transfer resistance [본문]

3. Cdl : double-layer capacitance [본문]

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1. 전기화학 반응속도론 [목차]

⑴ Tafel plot : overpotential (단위 : V) 대비 전류에 대한 그래프

① 반응속도-전류 관계식 : i₀ = zFk₀

○ i₀ : 전류 (단위 : C/s)

○ z : 반응물 1당량으로 이동하는 전자 수 (단위 : 없음)

○ F : 패러데이 상수 (단위 : C/mol)

○ k₀ : reaction rate (단위 : mol/s)

② Tafel equation : β = ΔE / Δ log I

○ E : overpotential (단위 : V)

○ β : Tafel slope (단위 : V)

○ anodic Tafel slope : anodic branch에서 Tafel slope를 측정한 것

○ cathodic Tafel slop : cathodic branch에서 Tafel slope를 측정한 것

③ Tafel slope로 RDS(rate-dermining step)를 구하는 방법 

⑵ hydrogen evolution : cathodic overpotential의 상한선을 알려줌

① 경우 1. Volmer reaction

 

H₃O⁺ + e^- ⇄ H⁺ + H₂O (산 조건)

H₂O + e^- ⇄ H⁺ + OH^- (염기 조건)

 

② 경우 2. Heyovsky's reaction

 

H⁺ + H₃O⁺ + e- ⇄ H₂ (g) + H₂O (산 조건)

H⁺ + H₂O + e^- ⇄ H₂ (g) + OH^- (염기 조건)

 

③ 경우 3. Tafel reaction

 

2H* → H₂ (g)

단, H*는 absorbed hydrogen atom

 

⑶ 배터리 임피던스

① 복소형식에서 저항, 커패시터, 인덕터를 저항처럼 간주할 수 있으며, 이 가상의 저항을 임피던스라고 함

② 전기화학의 반응속도론적인 개념. 즉, 전류가 얼마인지에 대한 이론을 제공함

③ 배터리 임피던스를 EI(electrochemical impedance)라고도 함

⑷ 배터리 임피던스를 구성하는 요소 

① electrolyte resistance (uncompensated resistance) : R_S, R_U

② double layer capacitance : Cdl

③ coating capacitance : C_c

④ Warburg impedance : W. 확산과 관련 있음

⑤ charge transfer resistance : Rct. polarization resistance라고도 함

⑥ constant phase element : Q

⑦ virtual inductor : L

 

 

2. Rct(charge-transfer resistance) [목차]

⑴ 개요

① 정의 : 배터리 임피던스 등가회로에서 저항의 역할을 하는 부분

② 패러데이 전류(Faradaic current) : 전하 축적 용량을 넘어 산화, 환원 반응이 일어날 수 있는 전위가 됐을 때 흐르는 전류

③ 패러데이 전류는 단순 저항 회로에서의 전류와 같은 특성을 가짐

⑵ 전류-전위 일반 관계식

 

 

① i₀ : exchange-current density  

② C₀ : concentration of oxidant at the electrode surface 

③ C₀* : concentration of oxidant in the bulk 

④ C_R : concentration of reductant at the electrode surface 

⑤ F : Faraday's constant

⑥ T : temperature

⑦ R : gas constant

⑧ α : reaction order 

⑨ n : number of electrons involved

⑩ η = overpotential (E – E₀) 

⑶ concentration overpotential이 없는 경우

① medium overpotential이고 α = β = 0.5인 경우 

 

 

② small overpotential

 

 

③ higher overpotential

 

 

⑷ concentration overpotential이 있는 경우

 

 

 

3. Cdl(double-layer capacitance) [목차]

⑴ 개요

① 정의 : 배터리 임피던스 등가회로에서 커패시터의 역할을 하는 부분

② 비패러데이 전류(Non-faradaic current) : 산화, 환원 반응이 일어나기 전 전하, 전지가 축적되는 시간까지 흐르는 전류

③ 비패러데이 전류는 단순 커패시터 회로에서의 전류와 같은 특성을 가짐 

 

입력 : 2022.04.21 21:29