The reaction current distribution in battery electrode materials revealed by XPS-based state-of-charge mapping

文献情報

出版日 2016-06-22
DOI 10.1039/C6CP03271K
インパクトファクター 3.676
著者

Alexander J. Pearse, Eleanor Gillette, Sang Bok Lee, Gary W. Rubloff


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要旨

Morphologically complex electrochemical systems such as composite or nanostructured lithium ion battery electrodes exhibit spatially inhomogeneous internal current distributions, particularly when driven at high total currents, due to resistances in the electrodes and electrolyte, distributions of diffusion path lengths, and nonlinear current–voltage characteristics. Measuring and controlling these distributions is interesting from both an engineering standpoint, as nonhomogenous currents lead to lower utilization of electrode material, as well as from a fundamental standpoint, as comparisons between theory and experiment are relatively scarce. Here we describe a new approach using a deliberately simple model battery electrode to examine the current distribution in a electrode material limited by poor electronic conductivity. We utilize quantitative spatially resolved X-ray photoelectron spectroscopy to measure the spatial distribution of the state-of-charge of a V2O5 model electrode as a proxy measure for the current distribution on electrodes discharged at varying current densities. We show that the current at the electrode–electrolyte interface falls off with distance from the current collector, and that the current distribution is a strong function of total current. We compare the observed distributions with a simple analytical model which reproduces the dependence of the distribution on total current, but fails to predict the correct length scale. A more complete numerical simulation suggests that dynamic changes in the electronic conductivity of the V2O5 concurrent with lithium insertion may contribute to the differences between theory and experiment. Our observations should help inform design criteria for future electrode architectures.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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