图2示出了典型的液体电解质电池中的电阻（即势垒） 。 两端的第一个电阻（和）是外部电路电阻 ， 包括阳极和阴极的导线和连接的电阻以及电子穿过催化剂层的电阻（这些材料通常不是良好的电子导体） 。 和起源于阴阳极表面半电池反应的过电位 。 和是靠近电极表面的扩散层引起的传质电阻 。 在水电解中 ， 由于产生的气泡对电极表面的覆盖 ， 阻碍了电极与电解液的接触 。 类似地 ， 产物水在电极与反应物氧气之间起到阻塞作用 ， 导致碱性燃料电池（AFC）中的传质阻力 。 Rions源于电解质中离子的传输阻力 ， Rsep源于电池隔膜的阻力 。 类似的电阻情况同样出现在其他类型的电池中 ， 如零极距电解池和质子交换膜（PEM）电池 。

文章图片
图2（a）典型的液态碱性燃料电池示意图；（b）电解池的横截面；（c）等效电路
以上电池系统中的电阻可分为三类：活化电阻（电化学反应引起的损耗）、欧姆电阻（离子和电子传导引起的损耗）和浓度电阻（物质传输引起的损耗） 。 这三类电阻共同决定了电化学电池的电流-电压（i-V）曲线的特征形状 。 图3显示了水电解和燃料电池的典型i-V曲线 。 在水电解的i-V曲线中[图3（a）] ， 当电压高于热力学电解电压1.23V后 ， 电流开始流过电解池 。 在低电流密度下 ， 欧姆电阻引起的电压降很小 ， 反应活化过电压占电压降的主要部分 。 此时极化曲线的对数形状（Tafel区域）归因于阳极和阴极的电荷转移现象 。 随着过电压的进一步增大 ， 反应活化势垒减小 ， 极化曲线呈线性 。 这种线性形状表明此时欧姆电阻是电解池的最关键动力学参数 。 在燃料电池的i-V曲线中[图3（b）] ， 活化电阻主要影响曲线的初始部分 ， 欧姆电阻的影响主要在曲线的中间部分 ， 浓度电阻的影响在曲线的尾部显著 。 尽管这两种功能技术中发生的反应是可逆的 ， 但i-V曲线的形状并不相同：水电解的i-V曲线在高电位下通常遵循Butler-Volmer模型；而由于对传质速率的限制 ， 燃料电池的i-V曲线往往在高电位下显示恒定值 。

文章图片
图3水电解（a）和燃料电池（b）的极化曲线图
为了提高两种技术的能量转换效率以改善能源系统的整体性能 ， 必须了解上述电阻产生的缘由 ， 以便将其最小化 。 欧姆损耗是由电极材料对电子流的电阻和电解液对离子流的电阻引起的 。 这些损耗可以通过使用高导电材料作为布线和电极基板 ， 以及通过减小两个电极之间的距离来降低 。 通过增加气态反应物的压力或液体电解质的浓度 ， 可以减轻由传质引起的损耗 。 这两种电压降主要取决于电池的设计和运行条件 。 除了上述两类电阻外 ， 电化学电池中的大部分电压降（>60%）是由半电池反应的吉布斯自由能变化引起的 。 根据反应的方向 ， 活化极化大大增加发生氧化反应的阳极电压 ， 并降低了发生还原反应的阴极电压 。
在电化学中 ， Butler-Volmer关系被用作主要出发点 ， 将催化剂-电解质界面上的过电压（η）与该界面上的电流密度j（A·cm–2）联系起来：

文章图片
式中 ， η是过电压 ， 即界面上的实际电压与平衡电压之差；j0是交流电流密度 ， 单位为A·cm–2；α是电荷转移的系数；n是在电化学反应中转移的电子数；F≈96485C·mol–1 ， 是法拉第常量；R是摩尔气体常量（0.082J·K–1·mol–1）；T是热力学温度（K） 。 Butler-Volmer方程表明 ， 电化学反应产生的电流随过电压和交换电流密度呈指数增加 。 实际上 ， j0表示反应物与产物处于平衡状态时的“交换速率” ， 是提高反应速率的重点 。 为简单起见并考虑浓度效应 ， 正向反应下j0的定义为：

• 产业|打造世界级产业地标 中国声谷冲刺5000亿产值
• 三星|试图挽回中国市场，国际大厂不断调价，从高端机皇跌到传统旗舰价
• 蓝思科技|苹果与34家中国供应商断绝合作，央视呼吁：尽快摆脱对苹果依赖
• 他是“中国氢弹之父”，他的名字曾绝密28年，他叫于敏
• 短信|关于5G消息，中国移动取得新进展，微信该做准备了
• 一个时代的结束！中国移动：10086 App将于1月30日起
• 信息科学技术学院|瞧不起中国芯？芯片女神出手，30岁斩获国际大奖，让美国哑口无言
• 爱奇艺|车澈的爱奇艺往事
• 智能手机|全球第17位！App Annie报告：2021年中国人均每天用手机3.3小时
• 本周华为小米相继报出的新闻，让我看到中国科技公司未来发展希望