Elektrochemische Impedanzspektroskopieanalyse - Forschung an Lithiumionenbatterien

Eine Lithiumionenbatterie, dh eine Sekundärbatterie, die eine Verbindung verwendet, die Lithiumionen reversibel interkalieren und deinterkalieren kann, als positive Elektrode und negative Elektrode:

Beim Laden werden Lithiumionen in der positiven Elektrode aus dem aktiven Material der positiven Elektrode extrahiert und in das aktive Material der negativen Elektrode eingebettet;

Zum Zeitpunkt der Entladung werden Lithiumionen aus dem aktiven Material der negativen Elektrode extrahiert und in das aktive Material der positiven Elektrode eingebettet. Daher hängen die Lade- und Entladekapazität, die Zyklusstabilität, die Lade- und Entladerate sowie die Lade- und Entladeleistung von Lithiumionenbatterien bei hohen und niedrigen Temperaturen alle mit der Elution und Einbettung von Lithiumionen in das aktive Elektrodenmaterial, der Diffusion in das Elektrolyt und der Durchgang von Lithiumionen. Die Prozesse der Festelektrolytgrenzflächenmembran (SEI) auf der Oberfläche der Partikel des anodenaktiven Materials sind eng miteinander verbunden.

Das Studium der relevanten kinetischen Parameter des obigen Prozesses ist von großer Bedeutung für das Verständnis der umfassenden elektrochemischen Leistung der entsprechenden Lithiumionenbatterie.

Als wichtige Methode untersuchen Sie den elektrochemischen Grenzflächenprozess. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wird häufig verwendet, um die Insertion und Extraktion von Lithiumionen bei der Oxidation von Kohlenstoffmaterialien und Übergangsmetallen zu untersuchen.

Das sogenannte EIS ist ein Wechselstromtestverfahren zum Erhalten einer Rückkopplung entsprechender elektrischer Signale im Frequenzbereich durch Anlegen eines sinusförmigen Wechselstromsignals mit einer bestimmten Amplitude und einer anderen Frequenz an das elektrochemische System. Das typische Li + -Batterie-EIS-Spektrum wird in Kombination mit den spezifischen physikalischen und chemischen Prozessen beim Laden und Entladen analysiert.

Während des Ladens der Lithium-Ionen-Batterie umfasst der Prozess der Elution und Einbettung von Lithium-Ionen in die chimäre Elektrode die folgenden fünf Schritte, wie in Abbildung 2 gezeigt (Barsoukov et al. Schlugen einen Modifizierungsprozess vor):

Schritt 1: Elektronentransport zur Oberfläche des aktiven Materials und Transport zwischen den aktiven Materialpartikeln und Transport von Lithiumionen im Elektrolyten;

Schritt 2: Diffusion von Lithiumionen durch den SEI-Film auf der Oberfläche der Partikel des aktiven Materials;

Schritt 3: Ladungsübertragungsprozess (oder Reaktionsbindungsprozess) von Elektronen und Lithiumionen an einem leitenden Übergang;

Schritt 4: Diffusionsprozess von Lithiumionen in den festen Partikeln innerhalb der aktiven Materialpartikel;

Schritt 5: Lithiumionen reichern sich im aktiven Material an, verbrauchen und verursachen dadurch eine Änderung der Kristallstruktur der Partikel des aktiven Materials oder die Bildung einer neuen Phase (dieser Teil der gemeinsamen EIS-Karte wird aufgrund von Einschränkungen der Testfrequenz nicht getestet). .

Unter Verwendung einer elektrochemischen Arbeitsstation wurde ein Wechselstromimpedanzscan zwischen 10 kHz und 50 & mgr; Hz durchgeführt, um eine EIS-Karte zu erhalten, wie in 3 gezeigt. Die Karte wurde spezifisch zerlegt und analysiert, wie in Tabelle 1 gezeigt.

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