Elektrochemia Ciała Stałego

Nazwa przedmiotu: Elektrochemia Ciała Stałego
Nazwa angielska: Solid State Electrochemistry
Kierunek studiów: Inżynieria materiałowa
Poziom studiów: magisterskie (dzienne i zaoczne)
Jednostka prowadząca: Katedra Fizykochemii Ciała Stałego, WIMiC, AGH
Kierownik i realizatorzy: Prof. dr hab. inż. Janina Molenda, dr Jacek Marzec, dr inż. Konrad
Świerczek
Formy zajęć i liczba godzin
Semestr
Zimowy V
w
2
ć
-
l
2
p
-
s
1
Licza pkt.
Charakterystyka przedmiotu
Elektrochemia ciała stałego jest nauką zajmującą się badaniem elektrycznych
aspektów reakcji chemicznych zachodzących w fazie stałej. Zajmuje się relacją pomiędzy
naturą wiązań chemicznych, strukturą krystalograficzną i elektronową, właściwościami
transportowymi a właściwościami elektrochemicznymi materiałów w aspekcie zastosowania
ich w ogniwach pierwotnych i wtórnych, ogniwach elektrochromowych, ogniwach
paliwowych i słonecznych oraz sensorach gazowych.
Wymagania wstępne:
Chemia ogólna, Chemia fizyczna, Chemia ciała stałego, Elementy fizyki ciała stałego
Program ramowy przedmiotu
Wykład
Wstęp: Podstawy termodynamiki elektrochemicznej, potencjały i poziomy
energetyczne w elektrochemii, elementy elektrokatalizy i fizyki powierzchni. Elektrolity
stałe: Ogólne własności elektrolitów stałych. Diagram elektronowy. Diagram jonowy.
Przewodnictwo jonowe elektrolitów stałych. Koncentracja nośników.
Mechanizmy
przewodzenia. Efekt domieszkowania. Własności wybranych elektrolitów stałych. Materiały
z nieuporządkowaną podsiecią: α-AgJ, β-alumina, NASICON, LISICON, Bi4V2-xMxO11-y,
przewodniki protonowe, ZrO2-y(CaO). Transport jonowy w elektrolitach szklistych i
polimerowych.
Materiały elektrodowe: Struktura krystaliczna związków metali
przejściowych LixMaXb (M- metal przejściowy, X= O, S, Se). Zjawiska transportowe w
związkach metali przejściowych. Odstępstwo od składu stechiometrycznego. Różnorodność
stanów elektronowych związanych z niestechiometrią. Tlenkowe nadprzewodniki
wysokotemperturowe. Przejście izolator – metal zaindukowane korelacjami elektronowymi
(przejście Motta-Hubarda). Przejście izolator - metal w układach nieuporzadkowanych
(przejście Andersona). Model Goodenougha dla tlenków metali przejściowych. Własności
elektryczne, magnetyczne, optyczne po obu stronach przejścia izolator – metal. Interkalacja
elektrochemiczna. Termodynamika procesu interkalacji. Mechanizm procesów jonowo –
elektronowych w ogniwie Li/Li+/LixMaXb. Zjawiska na granicach faz elektroda – elektrolit.
Modyfikacja własności układów LixMaXb w procesie interkalacji. Współczynnik dyfuzji
chemicznej litu w układach interkalowanych LixMaXb. Ogniwa litowe bez litu metalicznego.
Parametry użytkowe ogniw. Kryterium doboru materiału katodowego i anodowego.
Projektowanie własności użytkowych ogniw z interkalowanymi elektrodami. Zjawisko
elektrochromowe. Zastosowania: Li-ion batteries, ogniwa elektrochromowe, tlenkowe
ogniwa paliwowe (SOFC), sensory gazowe.
Seminarium
Potencjały i poziomy energetyczne w elektrochemii. Stan metaliczny a stan
półprzewodnikowy. Elektrolity stałe. Własności układu ZrO2-y – CaO - wyznaczanie zakresu
ciśnień tlenu w temperaturach 1000 – 1200oC w którym układ ZrO2-y – CaO posiada cechy
elektrolitu stałego. Stan metaliczny układów złożonych (związków chemicznych). Przejście
półprzewodnik – metal w układach silnie niestechiometrycznych. Obliczanie koncentracji
krytycznej defektów przy której dokonuje się przejście półprzewodnik – metal w tlenku
Fe1-yO. Model Goodenougha. Interkalacja elektrochemiczna w ogniwie Li/Li+/LixMaXb.
Model termodynamiczny i model elektronowy. Efekt elektrochromowy. Zjawiska na
granicach faz elektroda - elektrolit.
Laboratorium
Badanie zależności przewodnictwa elektrycznego półprzewodników od temperatury.
Wyznaczanie zależności przewodnictwa elektrycznego półprzewodników od ciśnienia
cząstkowego tlenu. Badanie struktury elektronowej niestechiometrycznych tlenków metali
za pomocą siły termoelektrycznej. Transport ładunku w kryształach jonowych. Wyznaczanie
energii sieciowej kryształów jonowych. Ogniwo stałe. Wyznaczanie współczynnika dyfuzji
chemicznej litu w układzie LixMn2O4-. Ogniwa litowe bez litu metalicznego. Tlenkowe
ogniwo paliwowe.
Forma zaliczenia zajęć:
Wykład: egzamin ustny
Seminarium: Zaliczenie kolokwium
Laboratorium: Wykonanie 6 ćwiczeń i zaliczenie kolokwium.