Decoupling Electrochemical Kinetics of Li-Rich and Li-Poor Phases in LiFePO4 Cathodes Using Single-Particle Electrochemical Impedance Spectroscopy

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作者
Anhao Zuo,Zhe Lü,Ruqing Fang,Liqun Sun,Oukai Wu,Wei Zhou,Haoran Lu,Zhixuan Wu,Ke Ge,Jianqiang Kang,Haiming Xie,Zhe Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (19): 28065-28075 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.4c23064
摘要

LiFePO 4 (LFP) undergoes a two-phase transformation during lithium insertion or extraction, forming lithium-rich and lithium-poor phases. Determining the kinetic parameters of these phases is crucial for electrochemical models but remains challenging. In this study, we decouple the reaction and diffusion kinetics of the Li-rich and Li-poor phases in LFP cathodes using single-particle electrochemical impedance spectroscopy (EIS). LFP agglomerates comprising primary particles are fabricated into single-particle microelectrodes. EIS measurements are conducted on single LFP particles at various insertion ratios. A physics-based impedance model is developed for phase-transformation electrodes, and the evolution of the exchange current density ( i 0 ) and diffusion coefficient ( D Li ) for both phases is extracted. In the single-phase region, the Li-poor phase exhibits a steeper change in i 0 with varying insertion ratios compared with the Li-rich phase. In the two-phase coexistence region, the Li-poor phase shows a higher i 0 than the Li-rich phase. Additionally, D Li for the Li-poor phase is higher than that for the Li-rich phase in both the single-phase and two-phase coexistence regions. We also compare the kinetic parameters of the Li-rich and Li-poor phases in LFP agglomerates of varying particle sizes to clarify the impact of particle size on electrochemical kinetics. The proposed impedance-based approach decouples the electrochemical kinetics of Li-rich and Li-poor phases in LFP cathodes, and the extracted kinetic parameters serve as the basis for developing models considering phase transformation.
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