كيفية استخدام بيانات معاوقة التيار المتردد لتحديد معامل انتشار المواد الكهربائية الليثيوم؟

著者：Iflowpower – Nhà cung cấp trạm điện di động

بطارية الليثيوم أيون هي عبارة عن هجرة وانتشار Li + بين القطبين الموجب والسالب، ويتم إنشاء فرق تركيز Li بين القطبين الموجب والسالب، وبالتالي تخزين الطاقة الكهربائية. لذلك فإن الانتشار بين Li + بين القطبين الموجب والسالب يؤثر على أداء بطارية أيون الليثيوم. إذا قمنا بتصنيف سرعات Li + من السريعة إلى البطيئة في روابط مختلفة، فلا شك أن انتشار Li + في الإلكتروليت هو الأكبر.

سريع، تليها عملية تبادل الشحنة من Li + في السطح الموجب والسالب، وسرعة هذه العملية بطيئة نسبيا، فمن السهل الحد من تخفيف التقييد، وLi + هو الأبطأ في المواد الإيجابية والسلبية، وهذا الرابط هو أيضا في كثير من الأحيان المفتاح لتقييد أداء التكبير من بطارية ليثيوم أيون. كمعامل رئيسي لمعامل انتشار الطور الصلب للمادة التفاعلية في المادة الفعالة، فإن معامل انتشار الطور الصلب هو المفتاح لكمية المادة، ولكن معلمات المواد ليست بسيطة. بشكل عام، فإن طريقة حساب معامل انتشار الطور الصلب للمادة النشطة لها بيانات مهمة تتعلق بالمعايرة المحتملة، ومعايرة التيار الثابت، ومعاوقة التيار المتردد.

في الآونة الأخيرة، اقترح Tienquangnguyen (الخوادم الأولى) وCorneliabreitkopf (المؤلف المراسل) من جامعة دريسدن للتكنولوجيا في ألمانيا طريقة جديدة للحصول على معاملات الانتشار من خلال بيانات معاوقة التيار المتردد. إن معامل انتشار الحصول على المواد باستخدام بيانات EIS ليس مفهومًا جديدًا. لقد كان هناك العديد من النماذج التي استخدمت قيمة معاوقة الانتشار في معاوقة التيار المتردد لحساب معامل انتشار القطب أو المادة، ولكن عادةً ما يتعين دمج هذه النماذج مع الانتشار.

حساب المعلمات مثل الطول، وعادة ما يتم تقريب هذه القيمة من خلال سمك القطب أو نصف قطر الجسيم. الطريقة التي اقترحها Tienquangnguyen هي استخدام بيانات معاوقة التيار المتردد فقط للحصول على جميع المعلمات المطلوبة لحساب معامل الانتشار. وفقًا لمعنى معامل الانتشار، يمكننا الحصول على معامل الانتشار من خلال النسبة بين معرف طول الانتشار وزمن الانتشار taud (كما هو موضح في الصيغة التالية).

ويمكن ملاحظة ذلك من الصيغة أعلاه. للحصول على معامل الانتشار، يتعين علينا الحصول على المعلمات المذكورة أعلاه من خلال بيانات التجربة أو بيانات النموذج النظري. في النظام الكهروكيميائي، يمكن حساب حركة الأيونات على أساس وقت الاسترخاء tau2 في سمك الطبقتين الكهربائيتين lambDAD والاستقطاب.

من أجل الحصول على المعلمات الرئيسية لمعامل الانتشار، يجب علينا أولاً الحصول على بيانات سمك طبقة الانتشار. تشير ما يسمى بطبقة الانتشار إلى نطاق تركيزات المواد في عملية الانتشار، وBandaraampmellanderandcoelho et al. وآخرون

نموذج لحساب سمك طبقة الانتشار. يوضح الشكل أدناه معاوقة النظام الكهروكيميائي للقطب المانع المزدوج وقيمة زاوية الخسارة الطبيعية. يمكن حساب ثابت العزل الفعال بالصيغة التالية 3، حيث j هي وحدة وهمية، دلتا هي النسبة بين نصف سمك العينة وسمك طبقة الانتشار، وعادة ما نعتقد أن هذه القيمة أكبر من 10.

زاوية الخسارة هي النسبة بين الخسارة العازلة والثابت العازل الحقيقي (كما هو موضح في الصيغة 4). من الشكل B أعلاه، من الممكن أن نرى أن عقدة زاوية الخسارة لها قيمة قصوى عند ثابت الوقت TAU2، والعلاقة بين القيمة الطبيعية لزاوية الخسارة ودلتا موضحة في الصيغة 5، وبالتالي يمكن حساب سمك طبقة الانتشار بالصيغة التالية 6. في بيانات EIS، تحتوي معاوقة انتشار Warburg المحدودة على معلمات مثل طول الانتشار ومعامل الانتشار وسرعة الانتشار، وعادةً ما يمكننا استخدام دائرة مكافئة لتناسب نتائج اكتشاف EIS بواسطة ZVIEW وأدوات أخرى للحصول على معلمات زمن الانتشار.

ومع ذلك، في بعض حالات بعض المعاوقة، غالبًا ما تكون نتائج التركيب أقل مثالية، ويمكن معالجة هذه المشكلة لتناسب البيانات الأكثر دقة عن طريق تركيب منطقة انتقال في بيانات معاوقة التيار المتردد. يمكن التعبير عن معاوقة انتشار واربورغ ذات الطول المحدود في الصيغة 7، حيث RW هي معاوقة انتشار محدودة، ويمكن حساب زمن الانتشار بالصيغة 1 أعلاه. تظهر علاقة المعلمات في الصيغة أعلاه في الصيغتين 9 و10، ويمكن تبسيط الجزء الصلب والتخيلي من معاوقة الانتشار المحدودة إلى صيغة الصيغة 13 التالية بواسطة الصيغتين 11 و12 التاليتين.

13 يمكننا أن نرى أن RW يمكن أن يعني ميل المنحنى العلائقي بين Z وOmega1 / 2. يوضح الشكل أعلاه خريطة معاوقة التيار المتردد النموذجية، والتي يمكن من خلالها رؤية ميل منحنى المعاوقة في منطقة الانتقال بمقدار 45 درجة من الشكل، مما يعني أن قيمة الجزء الحقيقي والخيالي من المعاوقة في هذه المنطقة متساوية. وفيما يتعلق بعملية انتشار الواجهة، يمكننا تركيب دائرة راندلز المكافئة الموضحة أدناه.

نظرًا لأن عنصر WARBURG والجذر التربيعي للتردد وزاوية الطور مرتبطان سلبًا، فإن التحلل المباشر للقلم يحتوي على الدائرة المكافئة لعنصر Warburg لا يزال عملًا صعبًا للغاية، لذلك يمكننا استبداله بدائرة RW وCW متوازية، وبالتالي فإن المعاوقة الكلية للدائرة المكافئة الموضحة أدناه موضحة في الصيغة 15، والجزء الحقيقي للممانعة الكلية يكون بين عندما يكون التردد تقريبًا 0 كما هو موضح في الشكل. 16، يمكن تحويل الجزء الحقيقي والجزء التخيلي إلى قيمة سعة الطبقة الكهربائية المزدوجة لسطح سطح القطب في شكل سطح القطب في شكل الصيغة الثانية 17، وهي صغيرة جدًا. بشكل عام، في 1-10uf / cm2، يمكن اعتبار معاوقة المعاوقة الكلية في دائرة الصورة التالية مساوية للجزء التخيلي من معاوقة واربورغ، أي z = omGAZ، ويمكن أن يكون طول الانتشار الأكثر أهمية ID لمعامل الانتشار إلكترونيًا. يتم حساب معامل الانتشار ووقت الانتشار (كما هو موضح في الصيغة التالية 19) بافتراض أن شحنة الشحنة هي نفسها، بحيث يمكن استبدال معامل انتشار الإلكترونات بحركة الأيونات، ويمكن استخدام وقت الانتشار الثابت الزمني المقابل للقوس عند أعلى نقطة في منحنى التردد الموضح في الشكل.

لذلك، يمكن تحويل الصيغة أعلاه إلى التنسيق الموضح في الصيغة. وفقًا للنموذج المذكور أعلاه، يقوم المؤلفون بتحليل البيانات من الأدبيات، ويمكن رؤية أن العينات الخمس المختارة من الصورة التالية لها اختلاف مميز في منحنى انتشار منطقة التردد المنخفض، وتتكون العديد من العينات من منطقة نصف دائرية. ثم هناك معاوقة انتشار محدودة تبلغ حوالي 45 درجة إلى اليسار واليمين في نطاق الترددات المنخفضة نسبيًا، وبالتالي، وفقًا للنموذج أعلاه، فإن ثابت زمن الانتشار لعدة نماذج من WSC = 2، 4، 5، 6 و15 هو 4، على التوالي.

16، 25، 36، و 225 (كما هو موضح في الجدول 1 أدناه). من أجل مقارنة تأثيرات النموذج أعلاه، يأخذ المؤلف عملية امتصاص جزيئات الماء في سطح كبريتات الزركونيوم، أولاً باستخدام دائرة راندلز المكافئة لتناسب نتائج الكشف عن الاختبار، ويمكنه رؤية الجزء الحقيقي من المعاوقة من الشكل أدناه. وصل الخطأ بين قيمة الاختبار وقيمة التركيب إلى 25%، كما أن إعلان تأثير تركيب الدائرة المحتوي على معاوقة واربورغ ليس مثاليًا في الحالة التي تكون فيها المعاوقة العالية أو الضوضاء عالية نسبيًا.

لذلك، فإن القيم العددية المناسبة لا يمكن أن تكون إلا مرجعية. في الشكل أدناه، يقارن المؤلف بين تأثير التجهيز لطريقة النموذج المقترحة بواسطة طريقة الدائرة المكافئة التقليدية والمؤلف. من الصورة الموجودة في أسفل اليسار، من الضروري رؤية تأثير التجهيز الذي تم الحصول عليه بواسطة طريقة النموذج الجديدة.

فهو أفضل من الدائرة التقليدية المكافئة. ومن خلال معامل الانتشار الذي تم الحصول عليه من الجدول 3 التالي يمكن رؤية نتيجة حركة الأيونات الصافية وبخار الماء ونتائج اكتشاف الآخرين. الطريقة التي اقترحها Tienquangnguyen تناسب تركيب جزء طول الانتشار المحدود في معاوقة التيار المتردد، والقلم مستقيم وطول طول الانتشار، وبالتالي تحقيق التحديد السريع والدقيق للبيانات السريعة والدقيقة باستخدام بيانات معاوقة التيار المتردد.