Theory of coupled ion-electron transfer kinetics

电子转移 过电位 化学 马库斯理论 锂(药物) 离子 离子键合 动力学 化学物理 反应速率常数 物理化学 电化学 电极 有机化学 物理 量子力学 医学 内分泌学
作者
Dimitrios Fraggedakis,Michael McEldrew,Raymond B. Smith,Yamini Krishnan,Yirui Zhang,Peng Bai,William C. Chueh,Yang Shao‐Horn,Martin Z. Bazant
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier BV]
卷期号:367: 137432-137432 被引量:110
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2020.137432
摘要

Abstract The microscopic theory of chemical reactions is based on transition state theory, where atoms or ions transfer classically over an energy barrier, as electrons maintain their ground state. Electron transfer is fundamentally different and occurs by tunneling in response to solvent fluctuations. Here, we develop the theory of coupled ion-electron transfer, in which ions and solvent molecules fluctuate cooperatively to facilitate non-adiabatic electron transfer. We derive a general formula of the reaction rate that depends on the overpotential, solvent properties, the electronic structure of the electron donor/acceptor, and the excess chemical potential of ions in the transition state. For Faradaic reactions, the theory predicts curved Tafel plots with a concentration-dependent reaction-limited current. For moderate overpotentials, our formula reduces to the Butler–Volmer equation and explains its relevance, not only in the well-known limit of large electron-transfer (solvent reorganization) energy, but also in the opposite limit of large ion-transfer energy. The rate formula is applied to Li-ion batteries, where reduction of the electrode host material couples with ion insertion. In the case of lithium iron phosphate, the theory accurately predicts the concentration dependence of the exchange current measured by in operando X-Ray microscopy without any adjustable parameters. These results pave the way for interfacial engineering to enhance ion intercalation rates, not only for batteries, but also for ionic separations and neuromorphic computing.
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