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法拉第阻抗

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电化学里的法拉第阻抗(faradaic impedance)[1][2]电化电池电极和电解质接合面的电阻和电容。电化电池可能是产生电流的伽伐尼电池,也可能是用电流产生化学反应电解池。最简单但非平凡的法拉第阻抗模型是由单电阻器和单电容器并联而成,和传输线用多个电阻和电容串联而成的模型不同。

机制

电阻表示了电极和电解质之间离子可用性(局部浓度)和迁移率的限制,以此产生了法拉第电流英语faradaic current。电容是电极和电解质之间形成的电容器,彼此分隔的距离是德拜屏蔽长度,在电极和电解质界面形成了双电层电容器。当提供的离子无法满足因电压产生的需求时,其电阻会增加,其效应类似定电流的电流源或电流库,而电池就在电极处极化。极化程度(以及法拉第阻抗)可以用调整电解质浓度和温度来控制,搅拌电解质也可能会影响。电极-电解质界面的化学因素非常重要。

由平坦光滑金属板制作的电极其表面积最小,可以用编织网、多孔金属或烧结金属来增加表面积。此时的法拉第阻抗比较适合用传输线建模,由多个串联电阻和并联电容组成。

介电质频谱法

从1990年代开始,法拉第阻抗已成为阻抗谱分析英语spectral estimation技术的重要基础,适用在不同的金属上。此技术和法拉第阻抗的电容成分有关。其电阻成分不受频率影响,可以用直流电量测,但其电容成分在直流下阻抗是无限大(导纳为0),在施加交流电时,阻抗会随频率增加而递减。在监控法拉第阻抗时变化其频率,可以针对电极和电解质界面的材料进行阻抗谱分析,特别是介电质内的电偶极矩。此技术有助于分析电池设计、先进燃料电池的性能提升,生物分子相互作用等。

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References

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