Physics-based simulation of electrochemical impedance spectroscopy of complex electrode microstructures using smoothed boundary method

介电谱 微观结构 材料科学 电阻抗 电极 物理 光谱学 分析化学(期刊) 电化学 复合材料 化学 色谱法 量子力学
作者
Danqi Qu,Affan Malik,Hui-Chia Yu
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier]
卷期号:432: 141141-141141 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2022.141141
摘要

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a widely used technique to measure macroscopic properties of electrodes. However, the underlying connections between the obtained macroscopic properties and electrode microstructures are not well understood because of the complexity of coupled electrochemical mechanisms and microstructure morphologies. In this work, we present a smoothed-boundary-method (SBM) electrochemical simulation framework that allows us to directly simulate the electrochemical dynamics with parameterized material properties and explicit consideration of electrode microstructures, and to extract EIS curves from the electrochemical simulations. This method uses continuous domain parameters to define the complex geometries of electrode particles and electrolyte phase in the interparticle space, thus circumventing the requirement of mesh conforming to the complex electrode microstructures in the simulations. The SBM is also utilized to calculate the double-layer capacitance that is required in the physics-based EIS simulations. The effects of the state of charge, salt concentration in electrolyte, and particle size distribution in electrode on the resulting EIS curves are examined using the SBM simulations. This simulation tool allows us to accessibly reveal the underlying connections between intrinsic material properties, microstructures, and macroscopic EIS behavior of battery electrodes. • SBM was employed to simulate electrochemical processes in complex electrode microstructures. • Half-cell microstructure simulations were performed with oscillating loading. • Effects of concentration-dependent properties and microstructures on EIS are studied. • Salt diffusivity and dielectric constant in electrolyte have minimal impacts on EIS.
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