2、电化学原理与反应全解析

电化学原理与反应全解析

1. 电池与燃料电池基础

电池和燃料电池是通过电极上的电化学氧化和还原反应，将化学能转化为电能的电化学装置。一个电池单元主要由阳极、阴极和电解质组成。在放电过程中，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，而电解质则在电池内部通过离子传导电子。

电池中存储或供应到电极的化学物质所能提供的最大电能，取决于电化学偶的自由能变化$\Delta G$。然而，在实际放电过程中，由于极化现象的存在，并非所有的能量都能转化为有用的电能。极化损失主要包括两种：
- 活化极化 ：驱动电极表面的电化学反应。
- 浓差极化 ：由于传质过程导致电极表面和本体中反应物和产物的浓度差异而产生。

此外，电池的内阻也是影响其性能和速率能力的重要因素。内阻会导致电池在运行过程中产生电压降，这部分能量以废热的形式消耗，通常被称为“欧姆极化”或IR降，它与从系统中汲取的电流成正比。电池的总内阻包括电解质的离子电阻、活性物质和集流体的电子电阻以及活性物质与集流体之间的接触电阻。

当电池连接到外部负载$R$时，电池电压$E$可以用以下公式表示：
$E = E_0 - [(\eta_{ct}) a + (\eta_c)_a] - [(\eta {ct}) c + (\eta_c)_c] - iR_i$
其中，$E_0$是电池的电动势或开路电压，$(\eta {ct}) a$和$(\eta {ct})_c$分别是阳极和阴极的活化极化或电荷转移过电压，$(\eta_c)_a$和$(\eta_c)_c$分别是阳极