Исследование свойств разупорядоченных углеродов и графита методами спектроскопии электрохимического импеданса. Анализ функций распределения времен релаксации

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе с использованием функции распределения времен релаксации (Distribution of Relaxation Times – DRT) проанализированы изменения спектров электрохимического импеданса литий-углеродных ячеек в процессе катодной поляризации углеродного электрода. В качестве углеродных материалов были изучены разупорядоченный углерод и графит. Показано, что анализ спектров электрохимического импеданса литий-углеродных ячеек с помощью функции распределения времен релаксаций позволяет установить количество электрохимических элементов и рассчитать их параметры. Применение функций DRT для моделирования электрохимического импеданса показало, что в литий-углеродных ячейках присутствует 8 электрохимических элементов, и позволило количественно оценить их параметры. Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими представлениями о структуре углеродных материалов и протекающих электрохимических процессах при их поляризации. Анализ спектров электрохимического импеданса литий-углеродных ячеек с помощью функции распределения времен релаксации является более объективным методом по сравнению с методом эквивалентных электрических схем.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. В. Колосницын

Уфимский федеральный исследовательский центр РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: dkolosnitsyn@gmail.com

Уфимский институт химии

Россия, Уфа

Е. В. Кузьмина

Уфимский федеральный исследовательский центр РАН

Email: dkolosnitsyn@gmail.com

Уфимский институт химии

Россия, Уфа

Н. В. Егорова

Уфимский федеральный исследовательский центр РАН

Email: dkolosnitsyn@gmail.com

Уфа

Россия, Уфимский институт химии

В. С. Колосницын

Уфимский федеральный исследовательский центр РАН

Email: dkolosnitsyn@gmail.com

Уфимский институт химии

Россия, Уфа

Список литературы

  1. Wang, Y., Ma, Z., and Zhang, X., Mechanism and application in lithium ion batteries of ferrocene catalyzed coal tar pitch to prepare fibrous carbon material with soft and hard carbon hybrid structure, Fuel, 2024, vol. 366, p. 131325. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131325
  2. Babu, B., Carbon–based Materials for Li-ion Battery, Batteries & Supercaps, 2024, vol. 7. https://doi.org/10.1002/batt.202300537
  3. Mochida, I., Ku, C., Yoon, S., and Korai, Y., Anodic performance and mechanism of mesophase-pitch-derived carbons in lithium ion batteries, J. Power Sources, 1998, vol. 75, Issue 2, p. 214. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(98)00101-3
  4. Чудова, Н. В., Шакирова, Н. В., Кузьмина, Е. В., Колосницын В.С. Влияние диапазона потенциалов заряда и разряда на электрохимическую емкость нефтяного кокса и графита. Башкир. хим. журн. 2021. № 28. С. 85. [Chudova, N.V., Shakirova, N.V., Kuzmina, E.V., and Kolosnitsyn, V.S., Vliyanie diapazona potencialov zaryada i razryada na elektrohimicheskuyu emkost' neftyanogo koksa i grafita, Bashkirskij himicheskij zhurnal (in Russian), 2021, no. 28, p. 85.]
  5. Schroeder, M., Menne, S., Ségalini, J., Saurel, D., Casas-Cabanas, M., Passerini, S., Winter, M., and Balducci, A., Considerations about the influence of the structural and electrochemical properties of carbonaceous materials on the behavior of lithium-ion capacitors, J. Power Sources, 2014, vol. 266, p. 250. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.05.024
  6. Kuzmina, E.V., Chudova, N.V., and Kolosnitsyn, V.S., Effect of Current Density on Specific Characteristics of Negative Electrodes for Lithium-Ion Batteries Based on Heat-Treated Petroleum Coke, Russ. J. Electrochem., 2023, vol. 59, p.153.
  7. 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. Elektrohimicheskij impedans, Moscow: Nauka, 1991. 336p.]
  8. Импедансная спектроскопия: теория и применение. Учебное пособие. Екатеринбург. Изд-во Урал. ун-та. 2017. [Impedansnaya spektroskopiya: teoriya i primenenie(in Russian). Uchebnoe posobie. Ekaterinburg. Izdatel'stvo Ural'skogo universiteta. 2017.]
  9. Иванищев, А.В., Чуриков, А.В., Иванищева, И.А. Импедансная спектроскопия литий-углеродных электродов. Электрохимия. 2009. Т. 44. С. 553. [Ivanishchev, A. V., Churikov, A. V., and Ivanishcheva, I. A., Impedance spectroscopy of lithium-carbon electrodes, Russ. J. Electrochem., 2008, vol. 44, p. 510.] https://doi.org/10.1134/S1023193508050030
  10. Секушин, Н.А. Двухчастотный критерий присутствия индуктивной составляющей в импедансе электрохимической ячейки. Электрохимия. 2010. Т. 46. С. 362. [Sekushin, N. A., Two-frequency criterion of the presence of inductive component in the electrochemical cell impedance, Russ. J. Electrochem, 2010, vol. 46, p. 345.] https://doi.org/10.1134/S1023193510030134
  11. Ерофеев, А.А. Теория автоматического управления. СПб.: Политехника, 2002. с. 302. [Erofeev, A.A. Teoriya avtomaticheskogo upravleniya (in Russian). St.P.: Politekhnika, 2002. 302 p.]
  12. Секушин, Н.А. Универсальная эквивалентная схема электрохимической ячейки. Электрохимия. 2009. Т. 45. С. 372. [Sekushin, N.A., Universal equivalent circuit of electrochemical cell, Russ. J. Electrochem., 2009, vol. 45, p. 350.] https://doi.org/10.1134/S1023193509030173
  13. Kerner, Zsolt & Pajkossy, Tamás, Measurement of adsorption rates of anions on Au(111) electrodes by impedance spectroscopy, Electrochim. Acta, 2002, vol. 47, p. 2055. https://doi.org/10.1016/S0013-4686(02)00073-7
  14. Lasia, Andrzej. Electrochemical Impedance Spectroscopy and Its Applications. Springer, 2014.
  15. Schelder, W., Theory of the Frequency Dispersion of Electrode Polarization. Topology of Networks with Fractional Power Frequency Dependence, J. Phys. Chem., 1975, vol. 79, p. 127.
  16. Kerner, Z. and Pajkossy, T., Impedance of rough capacitive electrodes: The role of surface disorder, J. Electroanal. Chem., 1998, vol. 448, p. 139.
  17. Kerner, Z. and Pajkossy, T., On the origin of capacitance dispersion of rough electrodes, Electrochim. Acta, 2000, vol. 46, p. 207.
  18. 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. [Gavrilyuk, A.L., Osinkin, D.A., and Bronin, D.I., The use of Tikhonov regularization method for calculating the distribution function of relaxation times in impedance spectroscopy, Russ. J. Electrochem., 2017, vol. 53, p. 575.] https://doi.org/10.1134/S1023193517060040
  19. 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.
  20. 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. https://doi.org/10.15388/NA.2004.9.1.15172
  21. Schönleber, Michael & Ivers-Tiffée, E., Approximability of impedance spectra by RC elements and implications for impedance analysis, Electrochem. Commun., 2015. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2015.05.018
  22. 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.
  23. 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]
  24. Прилежаева, И.Н., Соловьев, Н.П., Храмушин, Н.И. Способ преобразования спектров импеданса для определения механизма электрохимической реакции. Электрохимия. 2004. Т. 40. С. 1425. [Prilezhaeva, I.N., Solov'ev, N.P., and Khramushin, N.I., A procedure for transforming impedance spectra for the determination of mechanism of electrochemical reactions, Russ. J. Electrochem., 2004, vol. 40, p. 1223.] https://doi.org/10.1023/B:RUEL.0000048659.28543.0c
  25. Zhang, S. and Shi, P., Electrochemical impedance study of lithium intercalation into MCMB electrode in a gel electrolyte, Electrochim. Acta, 2004, vol. 49, p. 1475. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2003.10.033
  26. 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.
  27. Wang, C., Appleby, A.J., and Little, F., Low-Temperature Characterization of Lithium-Ion Carbon Anodes via Microperturbation Measurement, J. Electrochem. Soc., 2002, vol. 149, p. A754. https://doi.org/10.1149/1.1474427
  28. Holzapfel, M., Martinent, A., Alloin, F., Le Gorrec, B., Yazami, R., and Montella, C., First lithiation and charge/discharge cycles of graphite materials, investigated by electrochemical impedance spectroscopy, J. Electroanal. Chem., 2003, vol. 546. p. 41. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(03)00144-X
  29. Plank, Christian & Rüther, Tom & Jahn, Leonard & Schamel, Maximilian & Schmidt, Jan & Ciucci, Francesco & Danzer, Michael, A review on the distribution of relaxation times analysis: A powerful tool for process identification of electrochemical systems. J. Power Sources, 2023, vol. 594. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233845
  30. Lu, Yang & Zhao, Chen-zi & Huang, Jia-Qi & Zhang, Qiang, The timescale identification decoupling complicated kinetic processes in lithium batteries, Joule, 2022, vol. 6, p. 1172. https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.05.005

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Хронопотенциограммы катодной поляризации на первом и втором цикле углеродного электрода на основе разупорядоченного углерода (а) и графита (б).

Скачать (318KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Эволюция годографов импеданса литий-углеродных ячеек с рабочими электродами на основе разупорядоченного углерода (левая колонка) и графита (правая колонка) в процессе литирования на 1-м цикле. Ik=0.2 мА/см2. Глубина литирования указана на графиках.

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Функции DRT импедансов литий-РУ, литий-графит и симметричной литий-литиевой ячейки после сборки. Электрохимическая система указана на графике.

Скачать (502KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Экспериментальные годографы импедансов литий-углеродных ячеек с электродами на основе РУ (а) и графита (в) при глубине литирования 428 и 410 мА ч/г, годографы отдельных элементов ячеек, рассчитанные по DRT-функциям, и симулированные годографы импедансов литий-углеродных ячеек с электродами на основе РУ (в) и графита (г).

Скачать (125KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменение графиков функций DRT импеданса (в различных масштабах) литий-углеродной ячейки с электродом на основе РУ в процессе литирования на первом (левая колонка) и втором (правая колонка) циклах. Глубина литирования указана на графиках.

Скачать (811KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изменение графиков функций DRT импеданса (в различных масштабах) литий-углеродной ячейки с электродом на основе графита в процессе литирования на первом (левая колонка) и втором (правая колонка) циклах. Глубина литирования указана на графиках.

Скачать (828KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024