Der in Abbildung 1 dargestellte Knopfzellenhalter von Metrohm Autolab, wurde für die Durchführung elektrochemischer Experimente an Knopfzellenbatterien entwickelt.
Der Knopfzellenhalter kann bis zu zwei Knopfzellen aufnehmen, jede mit einer maximalen Dicke von 3,2 mm und einem maximalen Durchmesser von 24 mm. Typische geeignete Knopfzellengrößen sind CR2016, CR2020, CR2025, CR2032, CR2325 und CR2330. Jeder Anschluss des Knopfzellenhalters ist direkt mit der Batterie verbunden. Daher sind die Leitungen, die das Potential messen, von den stromführenden Leitungen getrennt, was zu einem nur noch minimalen Spannungsabfall aufgrund der Impedanz der Drähte führt.
Für die EIS-Messungen wird ein Metrohm Autolab PGSTAT204 verwendet, zusätzlich ausgestattet mit einem FRA32M-Modul (Abbildung 2).
Bei der für die Experimente eingesetzten Batterie handelt es sich um einen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akku, Panasonic VL2330, mit 30 mAh Nennkapazität und einer Nennspannung von 3 V.
Die potentiostatischen EIS-Messungen werden am Open Circuit Potential (OCP, Leerlaufspannung), zwischen 10 kHz und 100 mHz, mit einer 10 mV-Amplitude und einer Rate von 10 Frequenzen pro Dekade durchgeführt.
Für die EIS-Messungen wird ein Metrohm Autolab PGSTAT204, ausgestattet mit einem FRA32M-Modul, verwendet (Abbildung 2).
Die für die Experimente verwendete Batterie ist ein wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Akku, Panasonic VL2330, mit 30 mAh Nennkapazität und einer Nennspannung von 3 V.
Potentiostatische EIS-Messungen werden bei Leerlaufpotential (OCP), zwischen 10 kHz und 100 mHz, 10 mV Amplitude, mit einer Rate von 10 Frequenzen pro Dekade durchgeführt.
In Abbildung 3 wird der Nyquist-Plot der mit der Vier-Elektroden-Konfiguration (rote Punkte) durchgeführten Messung mit den Ergebnissen der Zwei-Elektroden-Konfiguration (blaue und grüne Punkte) verglichen.
Bei der Zwei-Elektroden-Konfiguration wurden für die EIS-Messung jeweils die WE- und S-Anschlüsse sowie die CE- und RE-Anschlüsse miteinander verbunden, so dass die RE- und S-Anschlüsse näher an der Batterie liegen (blaue Punkte). Eine weitere Messung wurde mit umgekehrten Anschlüssen durchgeführt, d. h. Anschlüsse S und WE, sowie Anschlüsse RE und CE wurden miteinander verbunden, so dass WE und CE näher an der Batterie liegen (grüne Punkte).
Während es keinen nennenswerten Unterschied zwischen den beiden Zwei-Elektroden-Konfigurationen gibt, ist der Nyquist-Plot, für die Vier-Elektroden- Konfiguration, verglichen mit den Nyquist-Plots der Zwei-Elektroden-Konfigurationen, zu niedrigeren Impedanzwerten verschoben. In Abbildung 4 zeigt die Vergrößerung von Abbildung 3 bei hohen Frequenzen einen Impedanzunterschied von etwa 170 mΩ.
Bei niedrigen Frequenzen ist der Unterschied deutlicher, wie in Abbildung 5 zu sehen ist. Der Impedanzunterschied beträgt zwischen der Konfiguration mit vier Anschlüssen und zwei Anschlüssen am Ende des Halbkreises ungefähr 2 Ω.
Schließlich ist anzumerken, dass die Verwendung der Vier-Elektroden- Konfiguration nur dann wichtig ist, wenn Geräte mit niedriger Impedanz, wie bspw. Batterien untersucht werden, da der Beitrag der Drähte zur Gesamtimpedanz gering ist.
Der Knopfzellenhalter wird eingeführt. Es wurden EIS-Messungen an einer handelsüblichen Knopfzellenbatterie durchgeführt. Die Unterschiede in der Impedanz zwischen der Vier-Elektroden-Konfiguration und der Zwei-Elektroden-Konfigurationen werden hervorgehoben, was die Bedeutung einer Vier-Elektroden- Konfiguration belegt, wenn DUTs mit niedriger Impedanz untersucht werden.
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