Modeling the impedance spectra of mixed conducting thin films with exposed and embedded current collectors

文献情報

出版日 2017-09-18
DOI 10.1039/C7CP03703A
インパクトファクター 3.676
著者

Jiapeng Liu


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要旨

In this article, we develop a new finite-element-based model for the simulation of the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) response of mixed ionic electronic conducting (MIEC) thin films. We first validated the model against experimental data for Sm-doped CeO2 (SDC) symmetrical films deposited on an yittria-stabilized ZrO2 (YSZ) substrate, a pure ionic conductor. We first studied the configuration where the patterned electrodes are placed on top of the MIEC (“exposed” configuration). Our model is capable of correctly reproducing the EIS response and the total capacitance, together with their dependence on the oxygen partial pressure. Furthermore, we were able to show, in agreement with experiments, that the area specific resistance (Rp) is relatively insensitive to the density of triple phase boundaries. As a second step, we studied the configuration where the metal current collector is directly deposited on the ionic conductor and is, therefore, “embedded” into the MIEC. We were again able to reproduce the experimental EIS response. We also discovered that at sufficiently high frequencies, the EIS deviates from a traditional RC-type response, leading to features attributable to the coupling ionic and electronic transport. This coupling ultimately adds to the area specific resistance. The latter, however, can be minimized if the film is sufficiently thick or if the current collector configuration is chosen judiciously.

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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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