Deconvolution of charge storage processes in Na0.44MnO2 electrodes

In this study, methods of synthesizing and electrochemically testing the sodium ion battery material Na0.44MnO2 are reviewed. The electrochemical behaviour revealed by cyclic voltammetry and SPECS (step potential electrochemical spectroscopy) are analysed performing fitting operations to suitable mathematical models via software aided methods to estimate the contribution of each electrode processes to the final stored charge within the context of an overview of the electrochemical energy storage systems, ion battery devices and their properties related to materials, mechanisms and performances. Energy storage systems and their fundamental mechanisms are briefly reviewed within the context of the relevant materials and with regards to the experimental methods that are used in the study of these materials and devices, namely cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The main concern of this work has been the problem of a more precise and detailed understanding of the charging processes, in particular through the deconvolution of the charging (discharging) current in different contributing factors, that are in fact involved in such processes. The most important mechanisms involved in charging are double layer capacitance and pseudo-capacitance, with regards to electrochemical capacitors, while intercalation processes become important also for electrode materials used in ion batteries. Here, we make a short review of the methods and techniques that have been used in the literature to gain insight into the charging mechanisms of electrochemical capacitor materials in particular, such as the methods of Trasatti, of Dunn, derived from Conway, and more recent examples such as that proposed by Donne, and finally such universal methods as the step potential electrochemical spectroscopy and electrochemical impedance spectroscopy. As an example of application of this approach to the understanding of charging mechanism, we consider the behaviour of a sodium manganese oxide electrode, a material of interest for sodium ion battery and more in general sodium ion storage device also working with an aqueous electrolyte. In this case, we use as a more general method and for the sake of a preliminary assessment, a universal approach which is a power law analysis of the current response of the electrode. This can be applied in principle to any “source” of current, namely, in the present case, to the current response in cycling voltammetric. A similar analysis was attempted with impedance data, fitting an appropriate analogue circuit to the raw data of the impedance analysis.

In questo studio vengono esaminati i metodi di sintesi e test elettrochimico dell’ossido di sodio manganese Na0.44MnO2 Il comportamento elettrochimico rivelato dalla voltammetria ciclica e dalla SPECS (spettrometria elettrochimica a gradini) viene analizzato eseguendo operazioni di fitting su modelli matematici appropriati per stimare il contributo di ciascun processo di elettrodo alla carica finale immagazzinata, muovendosi nel contesto generale dei processi di accumulo elettrochimico di energia. I sistemi di accumulo dell'energia e i loro meccanismi fondamentali vengono brevemente esaminati nel contesto dei materiali pertinenti e in relazione ai metodi sperimentali utilizzati nello studio di questi materiali e dispositivi, vale a dire la voltammetria ciclica e la spettroscopia di impedenza elettrochimica. La preoccupazione principale di questo lavoro è stata il problema di una comprensione più precisa e dettagliata dei processi di carica, in particolare attraverso la deconvoluzione della corrente di carica (scarica) nei diversi fattori che contribuiscono, che sono di fatto coinvolti in tali processi. I meccanismi più importanti coinvolti nella carica sono la capacità a doppio strato e la pseudo-capacità, per quanto riguarda i condensatori elettrochimici, mentre i processi di intercalazione diventano importanti anche per i materiali degli elettrodi utilizzati nelle batterie agli ioni. Qui, facciamo una breve rassegna dei metodi e delle tecniche che sono stati usati in letteratura per ottenere informazioni sui meccanismi di carica dei materiali dei condensatori elettrochimici in particolare, come i metodi di Trasatti, di Dunn, derivato da Conway, e più recenti esempi come quello proposto da Donne, e infine metodi universali come la spettrometria elettrochimica a gradini di potenziale e la spettroscopia di impedenza elettrochimica. Come esempio dell'applicazione di questo approccio alla comprensione del meccanismo di carica, consideriamo il comportamento di un elettrodo di ossido di manganese di sodio, un materiale di interesse per la batteria di ioni di sodio e più in generale dispositivo di accumulo a ioni di sodio che funziona anche con un elettrolita acquoso. In questo caso, usiamo come metodo più generale e per una valutazione preliminare, un approccio universale che è un'analisi della risposta in corrente dell'elettrodo basata sulla legge di potenza. Questo può essere applicato in linea di principio a qualsiasi "sorgente" di corrente, vale a dire, nel caso presente, alla risposta corrente dei cicli di voltammetria. Un'analisi simile è stata tentata con dati di impedenza, adattando un circuito equivalente appropriato ai dati grezzi delle misure di impedenza.