Doppelschichtkapazität und Verhalten unter Stromfluss Flashcards
Beschreiben Sie den Zusammenhang, den die Butler-Volmer-Gleichung wiedergibt.
BVG beschreibt den Zusammenhang zwischen Durchtrittsüberspannung und Stromdichte bei Ladungsdurchtritt zwischen flüssiger und fester Phase (Übergang zwischen Elektron und Ion und umgekehrt).
i = Stromdichte (A/m2)
i0 = Austauschstromdichte
𝛼 = Durchtrittsfaktor = Der Durchtrittsfaktor 𝛼 ist ein kinetischer Parameter, der den Unterschied in der Aktivierungsenergie der Hin- und Rückreaktion beschreibt.
ny = Überspannung
Wie verhält sich hierbei der differentielle Widerstand?
Der differentielle Widerstand nimmt bei steigendem Strom ab. Rdiff = dny / di
Durchtrittsfaktor: Wie verändert sich der Verlauf der Butler-Volmer-Gleichung bei unterschiedlichen alpha-Werten?
𝛼 = 0,5: Hin- und Rückreaktionen laufen gleich schnell ab
𝛼 > 0 Hinreaktion läuft leichter ab, Gesamtreaktion nach oben verschoben
𝛼 < 0,5 Rückreaktion läuft leichter ab; Gesamtreaktion nach unten verschoben
Definieren Sie den Begriff der Überspannung an der Grenzschicht der Elektrode zum Elektrolyten.
Durchtrittsüberspannung: ist die treibende Kraft der elektrochemischen Reaktion(en). Die Durchtrittsüberspannung ist die Potentialdifferenz zwischen der betrachteten Elektrode in ihrem aktuellen Zustand und ihrem Gleichgewichtszustand.
Die Butler-Volmer-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen der Durchtrittsüberspannung und der Stromdichte beim Ladungsdurchtritt zwischen der flüssigen und festen Phase (Übergang zwischen Elektron und Ion und umgekehrt).
Nennen Sie vier Arten von Überspannungen.
Überspannung allgemein: Die Überspannung 𝜂 – oder auch Polarisation genannt – ist die Abweichung vom Gleichgewichtspotential/-spannung unter Stromfluss.
- Ladungsdurchtrittüberspannung (Elektron zu Ion Übergang)
- Ohm’sche Überspannung (Elektrolyt, metallischer Ableiter, Aktivmasse)
- Transportüberspannung (Diffusions-, Migrations- und Konvektionsüberspannung)
- Kristallisationsüberspannung
- Reaktionsüberspannung (evtl. vor- oder nachgelagerte Reaktion)
Skizzieren Sie den qualitativen Verlauf der Butler-Volmer-Gleichung für die Hinreaktion, Rückreaktion sowie den resultierenden Gesamtverlauf unter Vernachlässigung der Grenzstromdichte. Beschriften Sie zusätzlich die Achsen.
Stromdichte i vs. Überspannung ny
Welche Vereinfachung der Butler-Volmer-Gleichung kann für große Überspannungen getroffen werden? Welcher Verlauf ergibt sich hierbei und wie wird dieser im Allgemeinen bezeichnet?
Große Überspannungen:
Für große Überspannungen muss zwischen positiven und negativen Überspannungen unterschieden werden. Bei positiven Überspannungen überwiegt die Hinreaktion (anodische Reaktion), sodass die Rückreaktion (kathodische Reaktion) vernachlässigt werden kann. Im Umkehrschluss überwiegt bei negativen Überspannungen die Rückreaktion und die Hinreaktion kann vernachlässigt werden.
Die Auftragung des Stroms im logarithmischen Maßstab ergibt eine Gerade, die im Allgemeinen auch als Tafel-Gerade bezeichnet wird.
Welche Vereinfachung der Butler-Volmer-Gleichung kann für kleine Überspannungen getroffen werden?
Kleine Überspannungen: Taylorreihe exp(x) = 1 + x
Es zeigt sich, dass für kleine Überspannungen ein linearer Zusammenhang der Butler-Volmer-Gleichung gilt, der zudem unabhängig vom Durchtrittsfaktor 𝛼 ist.
Eine Gleichspannungsquelle lässt sich auch aus zwei metallischen Elektroden identischen Materials aufbauen. Wie ist das Funktionsprinzip des Konzentrationselements?
Bei einem Konzentrationselement werden identische Metallelektroden verwendet. Diese befinden sich in Elektrolyten unterschiedlicher Konzentrationen. Die Elektrolyte sind so miteinander verbunden, dass Ionen ausgetauscht werden können. Im stromlosen Zustand gleichen sich die Konzentrationen nicht aus. Durch die unterschiedlichen Konzentrationen stellt sich eine Zellspannung ein.
