Электрохимическое окно

Электрохимическое окно ( ЭО ) вещества — это область электрических потенциалов электрода , в пределах которой вещество не окисляется и не восстанавливается . EW является одной из наиболее важных характеристик, которые необходимо определить для растворителей и электролитов, используемых в электрохимических приложениях. EW — это термин, который обычно используется для обозначения диапазона потенциалов и разности потенциалов. Он рассчитывается путем вычитания потенциала восстановления (катодный предел) из потенциала окисления (анодный предел). ^{[ 1 ]}

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

Этот диапазон важен для эффективности электрода. За пределами этого диапазона электроды будут вступать в реакцию с электролитом, а не вызывать электрохимическую реакцию. ^{[ 2 ]}

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

Важность электрохимического окна (ЭХ) в органических батареях

Электрохимическое окно (ЭО) — важная концепция органического электросинтеза и проектирования батарей, особенно органических. ^{[ 5 ]} Это связано с тем, что при более высоком напряжении (более 4,0 В) органические электролиты разлагаются и препятствуют 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 аккумуляторной 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, электролиты, характеризующиеся узким электрохимическим окном, склонны к необратимому разложению. ^{[ 8 ]} что, в свою очередь, вызывает снижение емкости батареи во время последующей циклической работы батареи.

Электрохимическое окно органического электролита зависит от многих факторов, включая температуру, граничные молекулярные орбитали, такие как LUMO (самая низкая незанятая молекулярная орбиталь) и HOMO (самая высокая занятая молекулярная орбиталь), поскольку регулируются механизмы восстановления (приобретение электронов) и окисления (потеря электронов). по запрещенной зоне между HOMO и LUMO . ^{[ 9 ]} Энергия сольватации также играет важную роль в определении электрохимического окна электролита. ^{[ 10 ]}

Чтобы гарантировать 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, меньшим, чем потенциал окисления электролита. Когда электрохимический потенциал материала анода значительно превышает восстановительный потенциал электролита, электролит будет разлагаться в процессе восстановления. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

Ограничение электрохимического окна

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

Ссылки

^ Ман Хайян; Фарук С. Мьялли; Мохд Али Хашим; Возможно М. АльНашеф (2013). «Исследование электрохимических окон ионных жидкостей». Журнал промышленной и инженерной химии . 19 : 106–112. дои : 10.1016/j.jiec.2012.07.011 .
^ Хаггинс, Роберт (2010). Перспективные батареи: аспекты материаловедения . Спрингер. п. 375. ИСБН 978-0-387-76423-8 . OCLC 760155429 .
^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов . Оксфорд: Пергамон Пресс . п. 488. ИСБН 978-0-08-022057-4 .
^ «Ионные жидкости». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. п. 551. дои : 10.1002/14356007.l14_l01 . ISBN 978-3527306732 .
^ Лич, Мэтью С.; Лам, Кевин (апрель 2022 г.). «Практическое руководство по электросинтезу» . Обзоры природы Химия . 6 (4): 275–286. дои : 10.1038/s41570-022-00372-y . ISSN 2397-3358 . ПМИД 37117870 . S2CID 247585645 .
^ Ли, Мэнцзе; Хикс, Роберт Чен, Цзыфэн; Го, Цзюйчэн; Сюй, Юньхуа (22 февраля 2023 г.). органических батареях . » в « Электролиты . 1712–1773 : 10.1021 acs.chemrev.2c00374 ISSN 0009-2665 . PMID 36735935 /
^ Ли, Мэнцзе; Хикс, Роберт Чен, Цзыфэн; Го, Цзюйчэн; Сюй, Юньхуа (22 февраля 2023 г.). органических батареях . » в « Электролиты . 1712–1773 : 10.1021 acs.chemrev.2c00374 ISSN 0009-2665 . PMID 36735935 /
^ Ли, Чэнхань, Ши; Чжоу, Сюаньи, Бяо; Лю, Тан, Цзе; Цзян, 09.11.2021 г. «Пористый композитный твердый электролит из полиамина и ПЭО для высокопроизводительных твердотельных литий-металлических батарей» . Журнал химии материалов A 9 ( 43): 24661–24669 doi : 10.1039 D1TA04599G ISSN 2050-7496 . S2CID 240888672 /
^ Маркиори, Клебер Ф.Н.; Карвалью, Родриго П.; Эбади, Махса; Бранделл, Дэниел; Араужо, К. Мойсес (08 сентября 2020 г.). «Понимание окна электрохимической стабильности полимерных электролитов в твердотельных батареях на основе 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 .
^ Ван, Да; Он, Тингтинг; Ван, Айпин; Го, Кай; Авдеев, Максим; Оуян, Чуйин; Чен, Лицюань; Ши, Сики (март 2023 г.). «База данных электрохимических окон на основе термодинамического цикла, содержащая 308 электролитных растворителей для аккумуляторных батарей» . Передовые функциональные материалы . 33 (11). дои : 10.1002/adfm.202212342 . ISSN 1616-301X . S2CID 255457966 .
^ Маркиори, Клебер Ф.Н.; Карвалью, Родриго П.; Эбади, Махса; Бранделл, Дэниел; Араужо, К. Мойсес (08 сентября 2020 г.). «Понимание окна электрохимической стабильности полимерных электролитов в твердотельных батареях на основе 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 .
^ Сехар Манна, Сурья; Бхауриял, Прити; Патхак, Бисваруп (2020). «Определение подходящих ионных жидких электролитов для двухионных алюминиевых батарей: роль электрохимического окна, проводимости и напряжения» . Достижения в области материалов . 1 (5): 1354–1363. дои : 10.1039/D0MA00292E . S2CID 221802258 .
^ Калиса, Ньиримбиби Даниэла; Мухизи, Теонестея; Поверьте мне, Жан-Жак Ивеса; Сосед Жан Батистеа; Марк, 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 2617-233X .
^ Сехар Манна, Сурья; Бхауриял, Прити; Патхак, Бисваруп (2020). «Определение подходящих ионных жидких электролитов для двухионных алюминиевых батарей: роль электрохимического окна, проводимости и напряжения» . Достижения в области материалов . 1 (5): 1354–1363. дои : 10.1039/D0MA00292E . S2CID 221802258 .

[1] Ман Хайян; Фарук С. Мьялли; Мохд Али Хашим; Возможно 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). Перспективные батареи: аспекты материаловедения . Спрингер. п. 375. ИСБН 978-0-387-76423-8 . OCLC 760155429 .

[3] Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов . Оксфорд: Пергамон Пресс . п. 488. ИСБН 978-0-08-022057-4 .

[4] «Ионные жидкости». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. п. 551. дои : 10.1002/14356007.l14_l01 . ISBN 978-3527306732 .

[5] Лич, Мэтью С.; Лам, Кевин (апрель 2022 г.). «Практическое руководство по электросинтезу» . Обзоры природы Химия . 6 (4): 275–286. дои : 10.1038/s41570-022-00372-y . ISSN 2397-3358 . ПМИД 37117870 . S2CID 247585645 .

[6] Ли, Мэнцзе; Хикс, Роберт Чен, Цзыфэн; Го, Цзюйчэн; Сюй, Юньхуа (22 февраля 2023 г.). органических батареях . » в « Электролиты . 1712–1773 : 10.1021 acs.chemrev.2c00374 ISSN 0009-2665 . PMID 36735935 /

[7] Ли, Мэнцзе; Хикс, Роберт Чен, Цзыфэн; Го, Цзюйчэн; Сюй, Юньхуа (22 февраля 2023 г.). органических батареях . » в « Электролиты . 1712–1773 : 10.1021 acs.chemrev.2c00374 ISSN 0009-2665 . PMID 36735935 /

[8] Ли, Чэнхань, Ши; Чжоу, Сюаньи, Бяо; Лю, Тан, Цзе; Цзян, 09.11.2021 г. «Пористый композитный твердый электролит из полиамина и ПЭО для высокопроизводительных твердотельных литий-металлических батарей» . Журнал химии материалов A 9 ( 43): 24661–24669 doi : 10.1039 D1TA04599G ISSN 2050-7496 . S2CID 240888672 /

[9] Маркиори, Клебер Ф.Н.; Карвалью, Родриго П.; Эбади, Махса; Бранделл, Дэниел; Араужо, К. Мойсес (08 сентября 2020 г.). «Понимание окна электрохимической стабильности полимерных электролитов в твердотельных батареях на основе 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; Он, Тингтинг; Ван, Айпин; Го, Кай; Авдеев, Максим; Оуян, Чуйин; Чен, Лицюань; Ши, Сики (март 2023 г.). «База данных электрохимических окон на основе термодинамического цикла, содержащая 308 электролитных растворителей для аккумуляторных батарей» . Передовые функциональные материалы . 33 (11). дои : 10.1002/adfm.202212342 . ISSN 1616-301X . S2CID 255457966 .

[11] Маркиори, Клебер Ф.Н.; Карвалью, Родриго П.; Эбади, Махса; Бранделл, Дэниел; Араужо, К. Мойсес (08 сентября 2020 г.). «Понимание окна электрохимической стабильности полимерных электролитов в твердотельных батареях на основе 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] Сехар Манна, Сурья; Бхауриял, Прити; Патхак, Бисваруп (2020). «Определение подходящих ионных жидких электролитов для двухионных алюминиевых батарей: роль электрохимического окна, проводимости и напряжения» . Достижения в области материалов . 1 (5): 1354–1363. дои : 10.1039/D0MA00292E . S2CID 221802258 .

[13] Калиса, Ньиримбиби Даниэла; Мухизи, Теонестея; Поверьте мне, Жан-Жак Ивеса; Сосед Жан Батистеа; Марк, 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 2617-233X .

[14] Сехар Манна, Сурья; Бхауриял, Прити; Патхак, Бисваруп (2020). «Определение подходящих ионных жидких электролитов для двухионных алюминиевых батарей: роль электрохимического окна, проводимости и напряжения» . Достижения в области материалов . 1 (5): 1354–1363. дои : 10.1039/D0MA00292E . S2CID 221802258 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]