Tortuosity of Battery Electrodes: Validation of Impedance-Derived Values and Critical Comparison with 3D Tomography

曲折 材料科学 介电谱 电极 电化学噪声 电阻抗 多孔性 电解质 涂层 输电线路 电化学 复合材料 分析化学(期刊) 化学 电气工程 色谱法 物理化学 工程类
作者
Johannes Landesfeind,Martin Ebner,Askin Eldiven,Vanessa Wood,Hubert A. Gasteiger
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
卷期号:165 (3): A469-A476 被引量:129
标识
DOI:10.1149/2.0231803jes
摘要

Tortuosity values of porous battery electrodes determined using electrochemical impedance spectroscopy in symmetric cells with a non-intercalating electrolyte are typically higher than those values based on numerical analysis of 3D tomographic reconstructions. The electrochemical approach assumes that the electronic resistance in the porous coating is negligible and that the tortuosity of the porous electrode can be calculated from the ionic resistance determined by fitting a transmission line equivalent circuit model to the experimental data. In this work, we validate the assumptions behind the electrochemical approach. First, we experimentally and theoretically investigate the influence of the electronic resistance of the porous electrode on the extracted ionic resistances using a general transmission line model, and provide a convenient method to determine whether the electronic resistance is sufficiently low for the model to be correctly applied. Second, using a macroscopic setup with known tortuosity, we prove that the ionic resistance quantified by the transmission line model indeed yields the true tortuosity of a porous medium. Based on our findings, we analyze the tortuosities of porous electrodes using both X-ray tomography and electrochemical impedance spectroscopy on electrodes from the same coating and conclude that the distribution of the polymeric binder phase, which is not imaged in most tomographic experiments, is a key reason for the underestimated tortuosity values calculated from 3D reconstructions of electrode microstructures.
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