宏观均相多孔电极电化学阻抗谱基础

摘要

电化学阻抗谱可用于诊断多孔电极内电荷转移反应,即界面电荷集聚和电荷传导,以及反应物质输运。本文采用复相量方法,在同态假设条件下,重新推演多孔电极阻抗谱模型,厘清传统多孔电极阻抗谱模型中的模糊性表述。(1)定义多孔电极表征输入参数,包括电极基体电子电导率σ_(1)、电解质离子电导率σ_(2)、界面电荷传递电导率g_(ct)、单位面积界面电容C、固相扩散系数D、速度常数k、电极厚度d、特征孔深L_(p)和单位体积表面积S_(c);(2)解析阻抗谱特征输出参数,包括场扩散常数K,特征频率ω_(0)、ω_(1)、ω_(2)、ω_(3)和ω_(max),它们分别相关于界面传导反应、有限场扩散、氧化还原反应、孔内扩散和最小特征孔尺寸,以及分别对应于从传导到扩散和从扩散到饱和的转折频率fk1和f_(k2);(3)当参数X和Z同时变化时(X=σ_(1)和Z=d,S_(c),L_(p),C,g_(ct),D,k),通过阻抗谱特征参数的演变规律,分析了电荷转移反应中X和Ζ参数耦合竞争;(4)为深入分析电荷转移反应中参数X和Z的耦合竞争,引入了分叉频率f_(XZ)和f_(ZX)。f_(XZ)和f_(ZX)所处位置可以用于表征参数X和Z影响电荷转移反应的深度和广度。当分叉频率f_(XZ)和f_(ZX)不存在时,表明电荷转移反应中参数X和Z在全频率范围内存在耦合竞争。总之,借助于特征频率和分叉频率,本文一方面研究了动力学参数和微观结构参数对多孔电极中电荷转移反应的影响,另一方面分析谱图的变化及其背后的阻抗谱特征演化规律。本文研究结果可为阻抗谱的系统仿真和辨识提供理论基础,可为多孔电极内电荷转移反应的竞争分析提供技术支撑,还可为电化学储能系统的优化设计提供诊断工具。