전해질 및 이온성 액체를 지지하는 이온 수송 및 제한된 전류

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 6215(2022) 이 기사 인용

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지지 전해질에는 전도성을 높이고 전극 근처의 미세 ​​환경을 변경하며 전기 화학 반응을 돕기 위해 불활성 용해 염이 포함되어 있습니다. 이 결합된 실험 및 계산 연구는 이온 전달에 대한 지지 염의 영향과 전기화학 전지의 관련 제한된 전류를 조사합니다. 액체 전해질의 다중 이온 수송과 그에 따른 농도 구배를 설명하는 물리적 모델이 제시됩니다. 이 모델과 그 매개변수화는 지지염 역할을 하는 Na2SO4의 양이 점진적으로 증가하는 상황에서 CuSO4 전해질 내 구리 증착의 측정된 제한 전류에 의해 평가됩니다. 전송 모델의 계산 민감도 분석은 이온 간의 공유 전도도가 더 큰 지지 염 농도로 제한된 전류를 낮추는 것으로 나타났습니다. 지지염이 전도도의 대부분을 공급할 때, 전기화학적 활성 이온의 전기장 구동 수송은 무시할 수 있게 되어 제한된 전류가 Fick의 제1법칙에 의해 설명되는 확산 제한 전류로 떨어집니다. 희석된 지지 전해질에서 이온성 액체의 경우로의 전환은 운송 모델을 통해 설명되며, 비전도성(극성) 용매와 전도성(이온성) 용매의 다양한 물리적 운송 메커니즘을 강조합니다.

지지 전해질은 전기화학적으로 변환되지 않는 불활성 염 첨가제(지지 염으로 정의됨)를 포함하는 용매 기반 액체입니다. 이러한 첨가염은 전해질의 전도성을 증가시켜 전기화학적 공정의 효율성을 향상시킬 수 있습니다1,2,3. 예를 들어, 산업용 구리 정제 및 수성 CuSO4 용액의 전도도는 H2SO4 첨가에 의해 증가됩니다4,5. 반응성 이온 유형이 예를 들어 염 수용액6,7,8, 용융염9,10,11, 깊은 공융 용매12,13 또는 이온성 액체14,15에서 불활성 이온으로 용해될 때 적어도 세 가지 다른 종류의 이온을 가진 전해질이 나타납니다. 16,17.

이원성(한 가지 유형의 양이온과 한 가지 유형의 음이온) 용매 기반 전해질의 경우 이온 전달은 실험적으로 특성화되었으며 다양한 연구에서 이론적으로 설명되었습니다. 이러한 시스템에서 전해질은 용해된 이온이 전기화학적으로 변환되는 전극에서 얇아지는 반면, 이온은 전해질에 이온을 도입하는 전극에 축적됩니다. 따라서 전기화학 반응은 액체 전해질21,22,23에서 농도 구배를 유발하여 궁극적으로 변환된 이온 유형의 농도를 국부적으로 고갈시키지 않고 전기장 및 확산 구동 이온 수송이 전달할 수 있는 전류를 제한합니다. 전극의 미세 환경(예: pH25,26)과 관련된 다중 이온 시스템의 제한된 전류 및 농도 구배는 배터리용 전기화학 장치21,22,23, 이온 분리27,28, CO2에 대한 중요한 설계 측면을 표시합니다. 환원29,30, 전기채취31,32, 전기도금33,34,35 등.

이원 전해액에서 전해질 매개변수화는 전달 수(전도에 대한 음이온과 양이온의 다양한 기여를 설명함), 상호 확산 계수(전기 중성 경계 조건에서 음이온과 양이온의 쌍 확산)로 설명됩니다. 용액) 및 몰 전도도. 이러한 특성은 농도에 따라 달라지며, 전기화학적으로 구동되는 농도 구배는 정확한 수송 모델링을 위해 공간적으로 분해된 매개변수화가 필요합니다. 전기화학 수송 미분 방정식의 수치적 시간 영역 모델링은 전해질 매개변수화의 농도 의존성을 나타내는 신뢰성이 입증되었으며, 전류 변화와 같은 변화하는 경계 조건도 해결할 수 있습니다.