1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 7, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 7, стр. 417-430

Анализ спектров электрохимического импеданса литиевого электрода с использованием функции распределения времен релаксации

Д. В. Колосницын a, *, Д. А. Осипова a, Е. В. Кузьмина a, Е. В. Карасева a, В. С. Колосницын a

a Уфимский Институт химии Уфимского федерального исследовательского центра РАН
Уфа, Россия

* E-mail: dkolosnitsyn@gmail.com

Поступила в редакцию 23.09.2022
После доработки 13.12.2022
Принята к публикации 19.12.2022

Аннотация

В работе рассмотрена возможность анализа спектров электрохимического импеданса литий-литиевых ячеек с использованием функции распределения времен релаксации (Distribution of Relaxation Times – DRT). Выполнен сопоставительный анализ спектров электрохимического импеданса литий-литиевых ячеек, полученных при длительном хранении при постоянной температуре и при различных температурах, методом эквивалентных электрических схем и с помощью функции распределения времен релаксации. Показано, что при анализе импедансов литий-литиевых ячеек с помощью функции распределения времен релаксации можно оценить количество слоев в поверхностной пленке на литиевом электроде и оценить их физические параметры – сопротивление и емкость. Установлено, что при длительной выдержке литий-литиевых ячеек при температуре 30°C количество слоев в поверхностной пленке и ее сопротивление уменьшаются. С повышением температуры происходит дифференциация физических свойств слоев поверхностной пленки и уменьшение ее общего сопротивления. Анализ спектров электрохимического импеданса литий-литиевых ячеек с помощью функции распределения времен релаксации является более информативным по сравнению с методом эквивалентных электрических схем.

Ключевые слова: литиевый электрод, SEI, импеданс, функция распределения времен релаксации, DRT

Список литературы

  1. Остроушко, Ю.И., Бичухин, П.И., Алексеева, В.В. и др. Литий, его химия и технология, М.: Атомиздат, 1960. С. 81. [Ostroushko, Yu.I., Bichuhin, P.I., Alekseeva, V.V., and others, Lithium, its chemistry and technology (in Russian), Moscow: Atomizdat, 1960, 81 p.]

  2. Huston, R. and Butler, J.N., The Standard Potential of the Lithium Electrode in Aqueous Solutions, J. Phys. Chem., 1968, vol. 72, no. 12, p. 4263.

  3. Aurbach, D., Daroux, M., McDougall, G., and Yeager, E.B., Spectroscopic studies of lithium in an ultrahigh vacuum system, J. Electroanal. Chem., 1993, vol. 358, p. 63.

  4. Zaban, A., Zinigrad, E., and Aurbach, D., Impedance Spectroscopy of Li Electrodes. 4. A General Simple Model of the Li-Solution Interphase in Polar Aprotic Systems, J. Phys. Chem., 1996, vol. 100, p. 3089.

  5. Иванищев, А.В., Чуриков, А.В., Иванищева, И.А. Импедансная спектроскопия литий-углеродных электродов. Электрохимия. 2008. Т. 44. С. 553.

  6. Чуриков, А.В., Придатко, К.И., Иванищев, А.В. Спектроскопия импеданса пленочных литий-оловянных электродов. Электрохимия. 2008. Т. 44. С. 594.

  7. Букун, Н.Г., Укше, А.Е. Импеданс твердоэлектролитных систем (обзор). Электрохимия. 2009. Т. 45. С. 13.

  8. Стойнов, З.Б., Графов, Б.М., Савова-Стойнова, Б., Елкин, В.В. Электрохимический импеданс, М.: Наука, 1991. 336 с. [Stojnov, Z.B., Grafov, B.M., Savova-Stojnova, B., and Elkin, V.V., Electrochemical impedance (in Russian), Moscow: Science, 1991, 336p.]

  9. Chen, X., Li, L., Liu, M., Huang, T., and Yu, A., Detection of lithium plating in lithium-ion batteries by distribution of relaxation times, J. Power Sources, 2021, vol. 496, 229867.

  10. Espinosa-Villatoro, E., Weker, J.N., Ko, J.S., and Quiroga-González, E., Tracking the evolution of processes occurring in silicon anodes in lithium ion batteries by 3D visualization of relaxation times, J. Electroanal. Chem., 2021, vol. 892, 115309.

  11. Harms, N., Heins, T.P., and Schröder, U., Application of Localized Electrochemical Impedance Spectroscopy to Lithium-Ion Cathodes and in situ Monitoring of the Charging Process, Energy Technology, 2016, vol. 4, p. 1514.

  12. Ivers-Tiffée, E. and Weber, A., Evaluation of electrochemical impedance spectra by the distribution of relaxation times, J. Ceram. Soc. of Japan, 2017, vol. 125 (4), p. 193.

  13. Осинкин, Д.А., Журавлев, В.Д. Никель-керамические электроды с повышенным содержанием никеля для электрохимических устройств на твердых электролитах. Журн. прикл. химии. 2020. Т. 93. № 2. С. 298.

  14. Dierickx, S., Mundloch, T., Weber, A., and Ivers-Tiffée, E., Advanced impedance model for double-layered solid oxide fuel cell cermet anodes, J. Power Sources, 2019, vol. 415, p. 69.

  15. Qu, H., Zhang, X., Ji, W., Zheng, D., Zhang, X., and Ji, W., Impedance investigation of the high temperature performance of the solid-electrolyte-interface of a wide temperature electrolyte, J. Colloid and Interface Sci., 2022, vol. 608, p. 3079.

  16. Гаврилюк, А.Л., Осинкин, Д.А., Бронин, Д.И. О применении метода регуляризации Тихонова для вычисления функции распределения времен релаксации в импедансной спектроскопии. Электрохимия. 2017. Т. 53. С. 651.

  17. Schichlein, H., Muller, A.C., Voigts, M., Krugel, A., and Ivers-Tiffee, E., Deconvolution of electrochemical impedance spectra for the identification of electrode reaction mechanisms in solid oxide fuel cells, J. Appl. Electrochem., 2002, vol. 32, p. 875.

  18. Macutkevic, J., Banys, J., and Matulis, A., Determination of the Distribution of the Relaxation Times from Dielectric Spectra, Nonlinear Analysis: Modelling and Control, 2004, vol. 9, p. 75.

  19. Fuoss, R.M. and Kirkwood, J.D., Electrical Properties of Solids. VIII. Dipole Moments in Polyvinyl Chloride-Diphenyl Systems, J. Amer. Chem. Soc., 1941, vol. 63, p. 385.

  20. Прилежаева, И.Н., Соловьев, Н.П., Храмушин, Н.И. Способ преобразования спектров импеданса для определения механизма электрохимической реакции. Электрохимия. 2004. Т. 40. С. 1425.

  21. Shafiei Sabetac, P. and Sauer, D.U., Separation of predominant processes in electrochemical impedance spectra of lithium-ion batteries with nickel-manganese-cobalt cathodes, J. Power Sources, 2019, vol. 425, p. 121.

  22. Illig, J., Ender, M., Chrobak, T., Schmidt, J. P., Klotz, D., and Ivers-Tiffee, E., Separation of Charge Transfer and Contact Resistance in LiFePO4-Cathodes by Impedance Modeling, J. Electrochem. Soc., 2012, vol. 159(7), p. A952.

  23. Kube, A., Strunz, W., Wagner, N., and Friedrich, K.A., Evaluation of electrochemical impedance spectra of batteries (Li–air/Zn–air) for aqueous electrolytes, Electrochim. Acta, 2021, vol. 396, 139261.

  24. Wan, T.H., Saccoccio, M., Chen, C., and Ciucci, F., Influence of the Discretization Methods on the Distribution of Relaxation Times Deconvolution: Implementing Radial Basis Functions with DRTtools, Electrochim. Acta, 2015, vol. 184, p. 483.

  25. Свид. 2022665869 РФ. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. “ElChemLab, DRT Analyzer” / Д.В. Колосницын; правообладатель УФИЦ РАН (RU). Опубл. 23.08.2022, Реестр программ для ЭВМ. 1 с. [2022665869 RF. “ElChemLab, DRT Analyzer” / D.V. Kolosnitsyn; UFRC RAS (RU). – published. 23.08.2022].

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал