Determination of the Through-Plane Tortuosity of Battery Electrodes by EIS in a symmetric Lithium-iron-phosphate cell

Význam tématu

Analýza porozity a tortuosity elektrody hraje klíčovou roli při návrhu a optimalizaci baterií pro vysoké zatížení, jelikož ovlivňuje rychlost transportu iontů, efektivitu nabíjení a životnost článku.

Cíle a přehled studie

Studie ilustruje použití elektrochemické impedanční spektroskopie (EIS) k určení through-plane tortuosity komerční katodové vrstvy z lithné železnaté fosfátu (LFP) s definovanou porozitou a tloušťkou povlaku. Metoda vychází z modelu Landesfeind et al. a aplikuje se na symetrické články s LFP elektrodami.

Použitá metodika

Pro měření bylo použito:

• Elektrolyt: EC/DMC (1:1 w/w) se solí nBu₄NPF₆ v koncentracích 0,01 a 0,10 mol/L
• Porézní separátor Celgard 2340 (PP, 38 μm) nasáklý elektrolytem
• Symetrická konfigurace dvou LFP elektrod (1,13 cm², tloušťka 114 μm, porozita 37 %)
• EIS parametry: potenciostatický režim, AC amplituda 1 mV RMS, frekvence 100 kHz–10 mHz, 20 bodů/dekáda
• Měření při 20 °C řízeném Peltierovým modulem
• Vyhodnocení dat pomocí modelu zjednodušené přenosové linky (TMLqo) s konstantními fázovými prvky (CPE)

Použitá instrumentace

• TSC bateriová měřicí buňka
• Metrohm Autolab Microcell HC s temperačním modulem (±0,1 °C)
• Potenciostat/galvanostat Metrohm Autolab PGSTAT204 s modulem FRA32M
• Software NOVA pro řízení a RelaxIS 3® pro fitování EIS dat
• Suchá glovebox (argon)

Hlavní výsledky a diskuse

Z EIS fitování byly získány následující ionické rezistence Rion: 367,4 Ω (0,01 mol/L) a 42,7 Ω (0,10 mol/L). Ze vztahu τ = (Rion·A·σ_dc·ε)/(2·d) byly vypočteny hodnoty through-plane tortuosity τ: přibližně 2,6 pro nižší a 2,2 pro vyšší koncentraci soli.
Nezávislost τ na koncentraci elektrolytu potvrzuje zanedbatelnou elektronickou rezistenci LFP povlaku a validitu zjednodušeného přenosového linkového modelu. Naměřené hodnoty jsou v souladu s literaturou.

Přínosy a praktické využití metody

• Neinvazivní a relativně rychlé stanovení tortuosity elektrody
• Podpora vývoje vysokovýkonných baterií a kvalitativní kontrola povlaků
• Možnost optimalizace složení elektrolytu a struktury elektrody pro zlepšení výkonových parametrů

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření metody na různé chemie baterií (Li-S, Na-ion atd.)
• Integrovaná in situ/operando EIS pro sledování degradace při cyklování
• Vliv teplotní závislosti a variabilní geometrii článků
• Automatizace analýzy a strojové učení pro predikci transportních parametrů

Závěr

Elektrochemická impedance na symetrickém LFP článku spolu se zjednodušeným modelem přenosové linky umožňuje spolehlivé stanovení through-plane tortuosity elektrody. Metoda je podložena experimentálními výsledky a potvrzuje se její shoda s literaturou.

Reference

• J. Landesfeind, A. Eldiven, H.A. Gasteiger, J. Electrochem. Soc. 165 (5), A1122–A1128 (2018).
• J. Landesfeind, J. Hattendorff, A. Ehrl, W.A. Wall, H.A. Gasteiger, J. Electrochem. Soc. 163 (7), A1373–A1387 (2016).
• J. Landesfeind, M. Ebner, A. Eldiven, V. Wood, H.A. Gasteiger, J. Electrochem. Soc. 165 (3), A469–A476 (2018).
• AN-EC-010: In-temperature Ionic Conductivity Measurements with the Autolab Microcell HC Setup (Metrohm, 2020).