It is generally known that electrochemical impedance spectroscopy is a powerful technique and its real-time application has been demanded for prompt observations on instantaneous electrochemical changes. Nevertheless, long measurement time and laborious analysis procedures have hindered development of it. Solving the problems, here I report of a new algorithm design for development of a real-time electrochemical impedance monitoring system, which potentially provides a guideline in developing monitoring systems of electric vehicles batteries and other electrochemical power plants. The significant progress in this report is employment of the parallel processing protocol which connects independent sub functions to successfully operate with avoiding mutual interruptions. Therefore, all the processes required to monitor electrochemical impedance changes in realtime are properly operated. To realize the conceptual scheme, a Labview program was coded with sub functions units which conduct their processes individually and only data are transferred between them through the parallel pipelines. Finally, measured impedance spectra and analysis results are displayed, which are synchronized according to the time of change.
Here I report on how Fourier Transform Electrochemical Impedance Spectroscopy (FTEIS) overcomes the potential-current linearity problem encountered in the impedance calculation process. FTEIS was first invented to solve the time-related drawback of the conventional impedance technique. The dramatic time reduction of FTEIS enabled the real-time impedance measurement but brought about the linearity problem at the same time. While the conventional method circumvents the problem using the steady-state made by a sufficiently long measurement time, FTEIS cannot because of its real-time function. However, according to the mathematical development reported in this article, the potential step used in FTEIS is proved to avoid the linearity problem. During the step period, the potential and the current are linearized by the electrochemical impedance. Also, Fourier transform of the differentiated potential and current is proved to give the same result of the original ones.
In this technical note, I report the analysis of electrochemical impedance data measured with potential sweeping. Even though the instruments for voltammetric impedance measurements have been developed for decades using different approaches, their applications are limited due to the lack of well-established protocols to easily analyze voltammetry data. To fill this gap, the singular point of the specific potential is considered that is only determined by the standard/formal potential and the transfer coefficient and is independent of the kinetics and experimental parameters (including revertability) of faradaic reactions. Taking the advantage of its inertness, I suggest an approach employing the singular point as a reference to obtain general electrochemical information. As all the concepts and methods are verified with numerical simulations, this technique is expected to be applied for complex reactions involving electrochemical and chemical reaction mechanisms.
Itagaki, M.;Taya, A.;Imamura, M.;Saruwatari, R.;Watanabe, K.
Corrosion Science and Technology
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v.3
no.1
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pp.1-5
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2004
A polarization resistance is generally used to estimate the corrosion rate in the corrosion monitoring by an electrochemical impedance method. When the Faradaic impedance has a time constant due to the reaction intermediate, the electrochemical impedance describes more than one loop on the complex plane. For example, the electrochemical impedance of iron in acidic solution shows capacitive and inductive loops on the complex plane. In this case, the charge transfer resistance and the polarization resistance are determined at middle and low frequency ranges, respectively. Which should be selected for corrosion resistance in corrosion monitoring, the charge transfer resistance or the polarization resistance'? In the present paper, the above-mentioned question is examined theoretically and experimentally.
For a battery module where single cells are connected in series, the single cells should each have a similar state of charge (SOC) to prevent them from being exposed to an overcharge or over-discharge during charge-discharge cycling. To detect the existence of unbalanced SOC cells in a battery module, we propose a simple measurement method using a single-frequency response of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). For a commercially available graphite/nickel-cobalt-aluminum-oxide lithium-ion cell, the cell impedance increases significantly below SOC20%, while the impedance in the medium SOC region (SOC20%-SOC80%) remains low with only minor changes. This impedance behavior is mostly due to the elementary processes of cathode reactions in the cell. Among the impedance values (Z, Z', Z"), the imaginary component of Z" regarding cathode reactions changes heavily as a function of SOC, in particular, when the EIS measurement is performed around 0.1 Hz. Thanks to the significant difference in the time constant of cathode reactions between ≤SOC10% and ≥SOC20%, a single-frequency EIS measurement enlarges the difference in impedance between balanced and unbalanced cells in the module and facilitates an ~80% improvement in the detection signal compared to results with conventional EIS measurements.
With a specially designed electrochemical cell, the changes in impedance behavior for Inconel 600 and aluminide diffusion coatings under molten sulfate film with thermal cycles (from $800^{\circ}C$ to $350^{\circ}C$) were monitored with electrochemical impedance measurements. It was found that corrosion resistance for both materials increased with lower temperatures. At the same time, the state of molten salt was also monitored successfully by measuring the changes in impedance at high frequency, which generally represents the resistance of molten salt itself. After two thermal cycles, both Inconel 600 and aluminide diffusion coatings showed excellent corrosion resistance. The results from SEM observation and EDS analysis correlated well with the results obtained by electrochemical impedance measurements. It is concluded that electrochemical impedance is very useful for monitoring the corrosion resistance of materials under molten salt film conditions even with thermal cycles.
Electrochemical oxidation of ethanol has been studied at nickel and $RuO_2-modified$ nickel electrodes in 1 M KOH using electrochemical impedance spectroscopy. Equivalent circuits have been worked out from simulation of impedance data to model oxidation of ethanol as well as the passivation of the electrode. The charge-transfer resistances for oxidation of these electrodes became smaller in the presence of ethanol than in its absence. The nickel substrate facilitated ethanol oxidation at $RuO_2-modified$ nickel electrodes. We also describe the Performance of nanosized electrocatalysts of the same composition in comparison to those of the bulk electrodes. The nanosized electrodes were obtained by electrode-positing the alloy from complexed form of these metal ions with fourth and fifth generation polyamidoamine dendrimers.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2003.06a
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pp.1893-1896
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2003
This research aimed to fabricate a micro structure using micro electrochemical machining (${\mu}$-ECM). with a view to that the theory of ${\mu}$-ECM is established accurately in a different way of conventional electrochemical machining. In details, if the impedance is existed in the system, it is difficult to analyze the micro electrochemical reaction efficiently in polarization curve using a potentiodynamic test. Hence, this research investigates the relationships between impedance and electric current measuring with a potentiostatic test applying to a pair or electrode as a constant potential. And this paper examines the influence of temperature of electrolyte on polarization curve for the quantitative analysis of electrochemical reactions.
Kim Gi-Ryon;Kim Gwang-Nyeon;Shim Yoon-Bo;Jeon Gye-Rok;Jung Dong-Keun
Journal of the Korea Society for Simulation
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v.14
no.2
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pp.45-55
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2005
There are electric double layer capacitance, polarization resistance and solution resistance in the interface between electrode and solution. Electrode process could be evaluated by the electrical impedance analysis. The necessities of the electrochemical cell analysis with high speed impedance analyzer are followings: minimization of the effects of electric stimulation on electrochemical cell and the concentration of reactive materials, and optimization of impedance signal resolution. This paper represents the design criteria for the selection and stimulation to develop fast impedance analyzer prototype for a electrochemical cell. It was suggested that the design of 470k sample/s sampling rate, 13 bit ABC resolution, and 140ms recording time is required for high speed impedance analysis system in frequency range between dc and 10kHz.
In the present investigation, holographic interferometry was utilized for the first time to monitor in situ the thickness of the oxide film of aluminium samples during anodization processes in boric acid solutions. The anodization process (oxidation) of the aluminium samples was carried out by the technique of the electrochemical impedance spectroscopy(EIS), in different concentrations of boric acid (0.5-5.0% $H_3BO_3$) at room temperature. In the mean time, the real-time holographic interferometry was used to measure the thickness of anodized (oxide) film of the aluminium samples in solutions. Consequently, holographic interferometry is found very useful for surface finish industries especially for monitoring the early stage of anodization processes of metals, in which the thickness of the anodized film of the aluminium samples can be determined without any physical contact. In addition, measurements of electrochemical values such as the alternating current (A.C) impedance(Z), the double layer capacitance($C_{dl}$), and the polarization resistance(Rp) of anodized films of aluminium samples in boric acid solutions were made by the electrochemical impedance spectroscopy(EIS). Attempts to measure electrochemical values of Z, Cdl, and Rp were not possible by holographic interferometry in boric acid especially in low concentrations of the acid. This is because of the high rate of evolutions of interferometric fringes during the anodization process of the aluminium samples in boric acid, which made measurements of Z, Cdl, and Rp are difficult.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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