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材料与能源专业课

第二章 电化学体系:界面、传导与化学电源

从电子导体、离子导体及其界面出发,建立电荷转移、法拉第定律、离子迁移、原电池/电解池、丹尼尔电池和盐桥的统一模型,再回到电池构成条件与部件分工。

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本章从一个问题开始

为什么一只电池不仅要有两极,还必须有一条“看不见”的内部通道?

本章把电极反应、电子导体、离子导体和盐桥放进同一张回路图:电子在外电路对外做功,离子在内部补偿电荷,界面把两种传输接到一起。

打开外壳的软包锂离子电池显示负极、隔膜、正极以及电子和锂离子的放电路径
自绘器件剖面,以锂离子电池放电为例。外部导线承担电子流,电解质与隔膜中的内部通道承担 Li⁺ 迁移;它们并非同一路,却缺一不可。来源:课程团队自绘;结构与路径为概念示意,不表达实际层厚或速率
  1. 01

    两类载流子:电子与离子各走哪里

  2. 02

    电极反应:氧化和还原怎样接力

  3. 03

    回路与测量:盐桥、迁移数和器件部件

从“电子导体、离子导体与电化学界面”开始

知识点

先选一个小点开始

先分清谁在搬运电荷

先分清谁在搬运电荷

电子导体、离子导体与电化学界面

金属等电子导体主要由电子传导电荷,电解质等离子导体主要由离子传导电荷;两者相接时,电极反应把两种电荷传输接起来。

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先分清谁在搬运电荷

法拉第定律:电荷量与反应进度必须对上账

电极反应中转移的电荷量与发生反应的当量成正比,电子摩尔数通过法拉第常数把“反应多少”与“电量多少”连接起来。

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先分清谁在搬运电荷

离子迁移数:内部电流不是由一种离子独自扛完

迁移数表示某一种离子承担的电流占总离子电流的份额,它受离子迁移率、浓度和体系条件影响。

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从电芯走到真实应用

从电芯走到真实应用

真正的主角在界面:材料如何变成电池

电化学不是把几种材料堆在一起,而是在电子导体—离子导体界面上发生电子转移、物质传输和能量变化的耦合过程。

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先让电流有路可走

先让电流有路可走

一只电池为何能持续供电

能供电的原电池不是“有两块材料”就够了,而是把氧化和还原分在两个电极上,让电子经外电路、离子经内部介质共同闭合回路。

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先让电流有路可走

电池的部件各在“管”什么

电极负责发生反应并传导电子,电解质负责传导离子,隔膜负责防短路而不阻离子;把它们混成一团,电池很快会用一种昂贵的方式提醒你。

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再把传输放回电池回路

再把传输放回电池回路

原电池与电解池:阳极/阴极看反应,正/负极看运行方式

阳极永远发生氧化、阴极永远发生还原;原电池靠自发反应对外供电,电解池则由外加电源驱动非自发反应。

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再把传输放回电池回路

丹尼尔电池、表示法与盐桥:一行符号藏着完整回路

电池表示法按约定把负极(阳极)写在左、正极(阴极)写在右;盐桥提供离子接通并尽量减小液接电位的影响。

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