Simultaneous EIS measurements of a Li-ion battery cathode and anode

Význam tématu

Elektrochemická impedanční spektroskopie (EIS) je klíčovým nástrojem pro charakterizaci baterií. Umožňuje rozlišit různé procesy na elektrodách v závislosti na frekvenci a tím prohloubit porozumění vnitřním odporovým a kinetickým jevům. Současné měření u obou elektrod nabírá na významu při sledování dynamiky plné článkové konfigurace v reálných podmínkách cyklování.

Cíle a přehled studie / článku

Studie demonstruje aplikaci funkce Second Sense (S2) v přístroji VIONIC řízeném softwarem INTELLO pro simultánní EIS měření katody a anody lithiové baterie s referenční elektrodou. Cílem je ukázat, jak lze paralelně sledovat impedanci obou elektrod během jednoho experimentu a analyzovat rozdíly mezi kladnou a zápornou elektrodou.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda založena na potenciostatickém EIS měření v rozsahu 100 kHz až 100 mHz s amplitudou 30 mV aplikovanou při otevřeném obvodu 3,71 V vs. referenční elektroda. Instrumentace:

• Potenciostat/galvanostat VIONIC powered by INTELLO
• Funkce Second Sense (S2) pro snímání potenciálu anody
• Software pro řízení experimentu INTELLO a pro analýzu dat NOVA 2

Hlavní výsledky a diskuse

Simultánní EIS měření odhalilo výrazně vyšší celkovou impedanci katody ve srovnání s anodou. Nyquistův diagram ukázal odlišné semicirkulární prvky, což odpovídá rozdílům transportního a povrchového odporu. Bodeovy diagramy (modulus i fáze) potvrdily tyto závěry v celém frekvenčním rozsahu. Pro oba póly byl použit obecný ekvivalentní obvod, jehož fit v NOVA 2 dal pro katodu χ2 = 0.0010 a pro anodu χ2 = 0.0295. Hodnoty by měly být interpretovány jako ilustrativní vzhledem k neznámé detailní chemii elektrod a elektrolytu.

Přínosy a praktické využití metody

Simultánní EIS měření šetří čas a zajišťuje konzistentní podmínky pro obě elektrody, což zlepšuje srovnatelnost výsledků. Umožňuje rychlou detekci asymetrií v impedanci během cyklování a usnadňuje optimalizaci materiálů i elektrochemických protokolů v průmyslové i akademické praxi.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace s rychlými cyklickými testy pro sledování degradace elektrod v reálném čase
• Pokročilé modelování ekvivalentních obvodů zahrnující specifické chemické procesy
• Automatizace vyhodnocení dat pomocí strojového učení pro předpověď životnosti článků
• Rozšíření metody na jiné typy bateriových technologií včetně pevných elektrolytů

Závěr

Funkce Second Sense v přístroji VIONIC umožňuje efektivní a spolehlivé simultánní EIS měření katody a anody lithiové baterie. Tento přístup zvyšuje efektivitu výzkumu a poskytuje hlubší vhled do elektrochemických procesů probíhajících na jednotlivých elektrodách.

Reference

• Anthony R West; Laurence A Middlemiss; Anthony JR Rennie; Ruth Sayers Characterisation of Batteries by Electrochemical Impedance Spectroscopy Energy Reports 2020 6(5) 232–241
• Wen Liu; Yong Wang; Yong Li; Rui Guo; Haijuan Pei; Ying Luo; Jingying Xie Lithium/Sodium Storage Behavior of an Amorphous Carbon Derived from the Used Acticarbon for Rechargeable Batteries Journal of the Electrochemical Society 2019 166 A1585