LCMS
Další informace
WebinářeO násKontaktujte násPodmínky užití
LabRulez s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Obsah dostupný pod licencí CC BY-SA 4.0 Uveďte původ-Zachovejte licenci.

Determination of the diffusion coefficient of an inserted species in a host electrode with EIS, PITT and GITT techniques

Aplikace | 2021 | BioLogicInstrumentace
Elektrochemie
Zaměření
Průmysl a chemie, Materiálová analýza
Výrobce
BioLogic

Souhrn

Význam tématu


Interkalace pohyblivých iontů do hostitelských elektrod je základním procesem moderních baterií a superkapacitorů. Hodnota difuzního koeficientu určující rychlost vložení a vyjmutí iontů přímo ovlivňuje výkon, životnost a možnost rychlého nabíjení/vybíjení elektrochemických systémů. Precizní stanovení tohoto parametru je klíčové pro vývoj nových materiálů i optimalizaci bateriových článků v průmyslové i laboratorní praxi.

Cíle a přehled studie / článku


V aplikaci Note #70 od BioLogic bylo cílem předvést tři hlavní elektrochеmické metody pro určení difuzního koeficientu v případě šířkově omezenej lineární difuze: EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy), PITT (Potentiostatic Intermittent Titration Technique) a GITT (Galvanostatic Intermittent Titration Technique). Studie popisuje teoretické pozadí, postupy získávání dat a jejich analýzu na dvou modelech: na 1 F superkapacitoru TOKIN a na referenčním AC Dummy Cell pro BCS řadu.

Použitá metodika a instrumentace


V experimentální části byly využity následující nástroje a zařízení:
  • Potenciostat/galvanostat BioLogic VMP3 pro většinu měření.
  • Potenciostat BioLogic SP-300 s jemnou potenciálovou citlivostí (1 µV) pro PITT s kompenzací sériového odporu (ZIR technika).
  • AC Dummy Cell pro BCS-805, BCS-810 a BCS-815 simulující odporové a kapacitní členy včetně 1 F superkapacitoru TOKIN jako testovanou elektrodu.
  • Software EC-Lab® pro řízení experimentů, měření EIS, PITT, GITT a následné fitování ekvivalentních obvodů.

Hlavní výsledky a diskuse


1. EIS:
  • Nyquistovy diagramy vykázaly ve středně a nízkofrekvenční oblasti typický přechod z -45° šikmé linie (Warburgův jev) do vertikální kapacitní větve.
  • Fitování modelu RΩ + Rct//Cdl + M (difuzní element) umožnilo přesně určit sériový odpor, přenosový odpor, difuzní odpor Rd a difuzní časovou konstantu τd.
  • Naměřené τd byly pro superkapacitor 22,3 s a pro AC Dummy Cell 22,1 s, což indikuje konzistentní chování jednotlivé elektrody i dvouelektrodového článku.
2. PITT:
  • Po aplikaci potenciálového kroku 10 mV se proud v dlouhém čase exponenciálně snižoval.
  • Při nezohlednění sériového odporu (RI) vedla přímá analýza ke značně nadhodnoceným τd (40,7 s na superkapacitoru, 97,4 s na AC Dummy Cell).
  • Použití kompenzace RI pomocí ZIR a SP-300 přístroje přineslo blíže k EIS (τd ≈ 26,9 s a 85,8 s), ale stále s výraznější odchylkou u dvouelektrodového systému.
3. GITT:
  • Aplikace galvanostatických kroků ±250 µA přinesla lineární potenciálovou odezvu v dlouhém čase.
  • Analýza bez kompenzace RI opět vedla k přehodnoceným τd (36,4 s a 110 s).
  • Kompenzace sériového odporu snížila hodnoty na 26,3 s a 91,7 s, což ale stále zaostává za EIS výsledky u kompletního článku.
4. Komparativní přehled:
  • EIS jediná metoda schopná bez úprav přesně určit difuzní parametry v kompletní bicyklové struktuře s více odporovými a kapacitními členy.
  • PITT/GITT spolehlivé pouze pro jednoduchý jednoelektrodový systém s velmi nízkou hodnotou Rct a zanedbatelným Cdl, případně po ideální kompenzaci sériového odporu.

Přínosy a praktické využití metody


Metody umožňují:
  • Quantifikovat rychlost transportu vložených iontů v různých typoch elektrod (tenké vrstvy, nanostruktury, průmyslové materiály).
  • Optimalizovat složení elektrolytů a povrchovou úpravu elektrod pro zlepšení nabíjecího výkonu.
  • Diagnostikovat degradaci článků sledováním změn difuzního koeficientu při stárnutí.
  • Integrovat výsledky do modelů bateriových systémů pro predikci chování při rychlém nabíjení/vybíjení.

Budoucí trendy a možnosti využití


  • Vývoj in situ a operando technik EIS pro sledování difuze v reálném čase během cyklování.
  • Pokročilé numerické a umělé inteligence poháněné algoritmy pro odrušení šumu a přesnější extrakci difuzních parametrů z PITT/GITT dat.
  • Integrace vícefyzikálních modelů zahrnujících elektrochemii, teplotu a mechaniku pro komplexní popis fungování bateriových článků.
  • Rozšíření analýzy o více iontové systémy (Na+, Mg2+, Zn2+) a nové elektrolytové koncepty (pevné elektrolyty, hybridní systémy).

Závěr


Studie demonstrovala, že pro přesné stanovení difuzního koeficientu v reálných dvouelektrodových článcích je klíčová EIS technika s fitováním odpovídajících ekvivalentních obvodů. PITT a GITT poskytují rychlý přístup k difuzním charakteristikám jednoduchých systémů, ovšem bez důkladné kompenzace sériového odporu se jejich výsledky značně liší od EIS. Zvolené postupy a kritéria aplikace podtrhují potřebu kombinace AC a DC metod při vývoji a validaci moderních energetických materiálů.

Reference


  1. A.J. Bard, L.R. Faulkner, Electrochemical Methods, Fundamentals and Applications, Wiley, New York, 1980.
  2. W. Weppner, R. Huggins, Galvanostatic Intermittent Titration Technique for Determining Diffusion Coefficients of Lithium in Mixed‐Conducting Electrodes, J. Electrochem. Soc. 124 (1977) 1569.
  3. C. Wen, B. Boukamp, R. Huggins, W. Weppner, Further Considerations on the Weppner–Huggins GITT Method, J. Electrochem. Soc. 126 (1979) 2258.
  4. BioLogic Application Note 56, Evaluation of Linear Diffusion by Levich Analysis, 2020.
  5. BioLogic Application Note 66, Fitting Restricted Diffusion by Winf Element in EIS, 2021.
  6. BioLogic Application Note 61, Impedance Analysis of Commercial Li-ion Batteries, 2020.
  7. J.-P. Diard, B. Le Gorrec, C. Montella, Handbook of Diffusion Impedances, 2018.
  8. T. Zhang et al., Electrochemical Impedance Spectroscopy of Insertion Electrodes, Electrochim. Acta 218 (2016) 163.
  9. S. Brown et al., Diffusion Parameters from Impedance of Composite Electrodes, J. Electrochem. Soc. 155 (2008) A320.
  10. S. Malifarge, B. Delobel, C. Delacourt, New Insights into Confined Diffusion by EIS, J. Electrochem. Soc. 164 (2017) A3329.

Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

Toggle
DC and AC characterization of a Vanadium Redox Flow Battery (VRFB) using a Pinflow 20 cm² test lab cell
EC-Lab – Application Note #71 11/2021 Last revised 11/2021 DC and AC characterization of a Vanadium Redox Flow Battery (VRFB) using a Pinflow 20 cm² test lab cell I. Introduction II. Redox Flow Batteries (RFBs) stand out from all electrochemical…
Klíčová slova
redox, redoxelectrode, electrodebattery, batteryelectrolyte, electrolyteee𝑛, ee𝑛vrfb, vrfb𝐸ch, 𝐸ch𝐸dis𝑛, 𝐸dis𝑛discharge, dischargeenergy, energybiologic, biologiccharging, chargingdiffusion, diffusioncell, cellplace
Ohmic Drop Part 2 – Measurement
Ohmic Drop Part 2 – Measurement
2019|Metrohm|Technické články
Application Area: Fundamental Ohmic Drop Part 2 – Measurement Keywords 𝑅 = Uncompensated resistance; Ohmic drop determination; Ohmic drop compensation Summary In a previous application note, the concepts of ohmic drop (or uncompensated resistance) and ohmic resistance were explained and…
Klíčová slova
ohmic, ohmicdrop, dropcompensation, compensationresistance, resistanceeis, eisimpedance, impedanceinterrupt, interruptcurrent, currentuncompensated, uncompensatedfeedback, feedbackelectrochemical, electrochemicalexponential, exponentialnova, novaelectrode, electrodepotentiostat
Determination of the binary diffusion coefficient of a battery electrolyte
Application Area: Batteries Determination of the binary diffusion coefficient of a battery electrolyte Keywords Batteries, electrolytes, MacMullin number, separator, binary diffusion coefficient, tortuosity Microcell HC setup was used. The design of the measuring cell is shown as the schematic drawing…
Klíčová slova
electrolyte, electrolyte𝑁𝑀, 𝑁𝑀binary, binarydiffusion, diffusionlithium, lithiumbattery, battery𝑑𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟, 𝑑𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟𝜏𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟, 𝜏𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟coefficient, coefficientgalvanostatic, galvanostaticmicrocell, microcellresistor, resistorseparator, separatormetallic, metallic𝐾𝑐𝑒𝑙𝑙
Determination of the Lithium Ion Transference Number of a Battery Electrolyte by VLF-EIS
Application Area: Batteries Determination of the Lithium Ion Transference Number of a Battery Electrolyte by VLF-EIS Keywords Lithium ion batteries, transference number, electrochemical impedance spectroscopy, EIS Microcell HC setup was used. The design of the measuring cell is shown as…
Klíčová slova
transference, transferencevlf, vlfelectrolyte, electrolyteeis, eislithium, lithiumbattery, batteryion, ion𝑅𝑑𝑖𝑓𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛, 𝑅𝑑𝑖𝑓𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛𝑗𝜔𝜏, 𝑗𝜔𝜏impedance, impedance𝑅𝑏𝑢𝑙𝑘, 𝑅𝑏𝑢𝑙𝑘number, numbersei, seimicrocell, microcellelegant
Další projekty
GCMS
ICPMS
Sledujte nás
FacebookX (Twitter)LinkedInYouTube
Další informace
WebinářeO násKontaktujte násPodmínky užití
LabRulez s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Obsah dostupný pod licencí CC BY-SA 4.0 Uveďte původ-Zachovejte licenci.