Advanced Electrochemistry - Cheatsheet

Butler-Volmer-Gleichung

Definition:

Beschreibt die Kinetik einer Elektrodenreaktion in Abhängigkeit vom Überspannungspotential.

Details:

• Formel der Butler-Volmer-Gleichung: \[ i = i_0 \left( \exp \left( \frac{\alpha n F \eta}{RT}\right) - \exp \left( -\frac{(1 - \alpha)n F \eta}{RT}\right) \right)\]
• \( i \): Elektrodenstromdichte
• \( i_0 \): Austauschstromdichte
• \( \alpha \): Ladungsübertragungskoeffizient
• \( n \): Anzahl der übertragenen Elektronen
• \( F \): Faraday-Konstante
• \( \eta \): Überspannung
• \( R \): Gaskonstante
• \( T \): Temperatur in Kelvin

Aktivierungsenergie und Überpotentiale

Definition:

Aktivierungsenergie ist die minimale Energie, die erforderlich ist, um eine chemische Reaktion zu starten. Überpotential (η) ist der zusätzliche Spannungsbedarf über die theoretische Spannung hinaus, um eine elektrochemische Reaktion zu ermöglichen.

Details:

• Aktivierungsenergie: Beeinflusst die Reaktionsrate.
• Arhenius-Gleichung: \[ k = A \times e^{\frac{-E_a}{RT}} \]
• Überpotentiale: Treten auf aufgrund kinetischer oder ohmscher Verluste.
• Kinetische Überpotentiale: Verbunden mit Ladungstransfer.
• Konzentrationsüberpotential: Durch Massentransporte begrenzt.
• Ohmsche Überpotential: Widerstandsverluste in der Zelle.
• Gesamtüberspannung beträgt: \[ \theta_{\text{Gesamt}} = \theta_{\text{akt}} + \theta_{\text{Conc}} + \theta_{\text{Ohm}} \]

Massentransportphänomene

Definition:

Migration, Diffusion und Konvektion beeinflussen die Verteilung von Ionen in elektrochemischen Systemen.

Details:

• Migrationsstrom: resultiert aus elektrischen Feldern.
• Diffusionsstrom: resultiert aus Konzentrationsgradienten.
• Konvektionsstrom: resultiert aus Bewegung der Lösung (kann natürlich oder erzwungen sein).
• Nernst-Planck-Gleichung: beschreibt Massenfluss \[ J_i = -D_i \frac{dC_i}{dx} - z_i F u_i C_i \frac{d\phi}{dx} + v C_i \]
• Unterschiedliche Transportmechanismen können oft überlagern, besonders in komplexen Systemen.
• Tafel-Gleichung: adressiert Zusammenhang zwischen Überspannung und Stromdichte.

Lithium-Ionen-Batterien: Funktionsweise und Materialchemie

Definition:

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs): elektrochemisches Speichergerät für elektrische Energie auf Basis von Lithiumionentransport zwischen Anode und Kathode.

Details:

• Funktionsweise: Li-Ionen wandern von der Anode (meist Graphit) zur Kathode (meist ein Übergangsmetalloxid) beim Entladen und umgekehrt beim Laden.
• Materialchemie Anode: Graphit, Lithium-Titanat.
• Materialchemie Kathode: Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Manganoxid (LiMn₂O₄), Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄).
• Elektrolyt: Meist Lithiumsalze (z.B. LiPF₆) in organischen Lösungsmitteln (z.B. Ethylencarbonat).
• Redoxreaktionen: Anode (Laden): \text{C} + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{LiC}₆ Kathode (Entladen): \text{LiCoO}₂ \rightarrow \text{Li}^{+} + \text{CoO}₂ + \text{e}^{-}
• Spannung: ca. 3.6 - 4.2 V pro Zelle.

Prinzipien der Brennstoffzellen: PEMFC, SOFC

Definition:

Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, die chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln. Besonders wichtig sind die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) und die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC).

Details:

• PEMFC (Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle): Funktioniert bei niedrigen Temperaturen (ca. 80°C), nutzt Membranen aus Nafion. Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel. Reaktionsgleichungen: \(2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + elektrische Energie\)
• SOFC (Festoxidbrennstoffzelle): Operiert bei hohen Temperaturen (ca. 500-1000°C), mit einem festem Oxid-Elektrolyt wie YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid). Kann verschiedene Brennstoffe wie Erdgas direkt umwandeln. Reaktionsgleichungen: \(H_2 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow H_2O + elektrische Energie\)
• Wichtigste Komponenten: Anode, Kathode, Elektrolyt.
• Wichtigste Vorteile: Hohe Effizienz, keine oder geringe Emissionen.

Sensorprinzipien: Amperometrie, Potentiometrie und Leitfähigkeit

Definition:

Amperometrie, Potentiometrie und Leitfähigkeit sind grundlegende elektrochemische Sensorprinzipien zur Messung spezifischer analytspezifischer Eigenschaften in Lösungen.

Details:

• Amperometrie: Messung des Stroms, der durch eine elektrochemische Reaktion an einer Arbeitselektrode fließt.
• Gesetz: \( I = n F A D \frac{C}{\textit{d}} \), wobei \( I \) der Strom, \( n \) die Anzahl der übertragenen Elektronen, \( F \) die Faraday-Konstante, \( A \) die Elektrodenfläche, \( D \) der Diffusionskoeffizient, \( C \) die Konzentration und \( d \) die Diffusionsschichtdicke ist.

• Potentiometrie: Messung der Potentialdifferenz zwischen einer Referenzelektrode und einer Indikatorelektrode ohne Stromfluss.
• Gesetz: \( E = E^0 + \frac{RT}{nF} \text{ln} \frac{C_{\text{ox}}}{C_{\text{red}}} \), wobei \( E \) das gemessene Potential, \( E^0 \) das Standardelektrodenpotential, \( R \) die universelle Gaskonstante, \( T \) die Temperatur, \( n \) die Anzahl der übertragenen Elektronen, und \( C_{\text{ox}} \) und \( C_{\text{red}} \) die Konzentrationen der oxidierten und reduzierten Spezies sind.

• Leitfähigkeit: Messung des elektrischen Widerstands einer Lösung, um die Ionenstärke zu bestimmen.
• Gesetz: \( \text{K} = \frac{1}{\text{R}} \frac{d}{A} \), wobei \( K \) die Leitfähigkeit, \( R \) der Widerstand, \( d \) der Abstand der Elektroden und \( A \) die Elektrodenfläche ist.

Passivierungsschichten und inhibitorische Maßnahmen

Definition:

Defensive Schicht auf Metalloberflächen, schützt vor Korrosion.

Details:

• Passivierungsschicht: Oxid- oder Nitritschicht, oft durch anodische Polarisation.
• Inhibitoren: Chemikalien, die Korrosion durch Adsorption verhindern.
• Elektrochemische Grundlage: Passivität vs. Aktivierungsenergie.
• Wichtige Formeln: Nernst-Gleichung, Faradaysches Gesetz.
• Wichtige Parameter: Elektrodenpotential, Stromdichte, pH-Wert.

Korrosionsschutz durch kathodischen und anodischen Schutz

Definition:

Methoden zum Schutz von Metallen vor Korrosion durch elektrochemische Techniken.

Details:

• Kathodischer Schutz: Metall wird zur Kathode gemacht. Zwei Verfahren:
  • Galvanischer Schutz: Opferanode (z.B. Zn, Mg) wird angebracht.
  • Impressiertes Stromsystem: externer Gleichstrom.
• Anodischer Schutz: Metall wird zur Anode gemacht, gezieltes Anodisieren, um passivierende Oxidschicht zu bilden.