Published November 26, 2020 | Version v1
Publication Metadata-only

Effects of Voltage-Dependence of the Constant Phase Element and Ohmic Parameters in the Modeling and Simulation of Cyclic Voltammograms

Creators

  • 1. Suranaree University of Technology
  • 2. Osaka University

Description

Although the constant phase element (CPE) parameters have been found to vary with DC bias voltage in electrochemical impedance spectroscopy measurement, to date, the CPE parameters are assumed to be constant within the voltage window in cyclic voltammetry (CV) simulation. This leads to failure in predicting the voltammetric response of a double layer in some cases. In this study, the voltage-dependent CPE and ohmic parameters are used to simulate the capacitive current. The results show good agreement with the experimental measurements of commercial electrical double layer capacitors. The model is extended to predict the response of a system involving both Faradaic and capacitive currents by combining the conventional physicochemical transport model with circuit analysis to include effects of the resistances and CPE. To accurately predict the entire CV responses, a modified Randles circuit with an additional resistance connected in series with the CPE is proposed to be an equivalent circuit of the system. Furthermore, the closed-form analytical solution of the time-domain response of CPE under CV conditions is also derived and presented to gain better understanding of the CPE response. Using the derived equation, CV can serve as an alternative approach for determining the CPE parameters.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

على الرغم من أن معلمات عنصر الطور الثابت (CPE) قد وجد أنها تختلف مع جهد انحياز التيار المستمر في قياس طيف المعاوقة الكهروكيميائية، حتى الآن، من المفترض أن تكون معلمات CPE ثابتة داخل نافذة الجهد في محاكاة قياس الجهد الدوري (CV). وهذا يؤدي إلى الفشل في التنبؤ بالاستجابة الفولتية للطبقة المزدوجة في بعض الحالات. في هذه الدراسة، يتم استخدام CPE المعتمد على الجهد والمعلمات الأومية لمحاكاة التيار السعوي. تظهر النتائج توافقًا جيدًا مع القياسات التجريبية للمكثفات الكهربائية ذات الطبقة المزدوجة التجارية. يتم توسيع النموذج للتنبؤ باستجابة نظام ينطوي على كل من التيارات الفرادية والسعوية من خلال الجمع بين نموذج النقل الفيزيائي الكيميائي التقليدي مع تحليل الدائرة لتشمل تأثيرات المقاومة و CPE. للتنبؤ بدقة باستجابات CV بأكملها، يُقترح أن تكون دائرة Randles المعدلة بمقاومة إضافية متصلة بالتسلسل مع CPE دائرة مكافئة للنظام. علاوة على ذلك، يتم أيضًا اشتقاق وتقديم الحل التحليلي المغلق لاستجابة CPE في النطاق الزمني في ظل ظروف CV لاكتساب فهم أفضل لاستجابة CPE. باستخدام المعادلة المشتقة، يمكن أن تكون CV بمثابة نهج بديل لتحديد معلمات CPE.

Translated Description (French)

Bien que les paramètres de l'élément à phase constante (CPE) aient été trouvés pour varier avec la tension de polarisation CC dans la mesure par spectroscopie d'impédance électrochimique, à ce jour, les paramètres CPE sont supposés être constants dans la fenêtre de tension dans la simulation de la voltamétrie cyclique (CV). Cela conduit à l'échec de la prédiction de la réponse voltammétrique d'une double couche dans certains cas. Dans cette étude, le CPE dépendant de la tension et les paramètres ohmiques sont utilisés pour simuler le courant capacitif. Les résultats montrent un bon accord avec les mesures expérimentales des condensateurs électriques à double couche commerciaux. Le modèle est étendu pour prédire la réponse d'un système impliquant à la fois des courants faradiques et capacitifs en combinant le modèle de transport physico-chimique conventionnel avec l'analyse de circuit pour inclure les effets des résistances et du CPE. Pour prédire avec précision l'ensemble des réponses CV, un circuit de Randles modifié avec une résistance supplémentaire connectée en série avec le CPE est proposé pour être un circuit équivalent du système. En outre, la solution analytique de forme fermée de la réponse temporelle de l'ECP dans des conditions CV est également dérivée et présentée pour mieux comprendre la réponse de l'ECP. En utilisant l'équation dérivée, CV peut servir d'approche alternative pour déterminer les paramètres CPE.

Translated Description (Spanish)

Aunque se ha encontrado que los parámetros del elemento de fase constante (CPE) varían con el voltaje de polarización de CC en la medición de espectroscopía de impedancia electroquímica, hasta la fecha, se supone que los parámetros del CPE son constantes dentro de la ventana de voltaje en la simulación de voltametría cíclica (CV). Esto conduce a un fallo en la predicción de la respuesta voltamétrica de una doble capa en algunos casos. En este estudio, el CPE dependiente del voltaje y los parámetros óhmicos se utilizan para simular la corriente capacitiva. Los resultados muestran una buena concordancia con las mediciones experimentales de condensadores eléctricos comerciales de doble capa. El modelo se amplía para predecir la respuesta de un sistema que involucra corrientes tanto faradaicas como capacitivas combinando el modelo de transporte fisicoquímico convencional con el análisis de circuitos para incluir los efectos de las resistencias y el CPE. Para predecir con precisión todas las respuestas del CV, se propone un circuito Randles modificado con una resistencia adicional conectada en serie con el CPE como circuito equivalente del sistema. Además, la solución analítica de forma cerrada de la respuesta en el dominio del tiempo del CPE en condiciones CV también se deriva y se presenta para obtener una mejor comprensión de la respuesta del CPE. Utilizando la ecuación derivada, el CV puede servir como un enfoque alternativo para determinar los parámetros del CPE.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
آثار اعتماد الجهد لعنصر الطور الثابت والمعلمات الأومية في نمذجة ومحاكاة الفولتاموجرام الحلقي
Translated title (French)
Effets de la dépendance à la tension de l'élément de phase constante et des paramètres ohmiques dans la modélisation et la simulation des voltammogrammes cycliques
Translated title (Spanish)
Efectos de la dependencia del voltaje del elemento de fase constante y los parámetros óhmicos en el modelado y la simulación de voltamogramas cíclicos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3092234875
DOI
10.1149/1945-7111/abbe5d

Is supplement to
https://openalex.org/W4296684765 (Other)
https://openalex.org/W3033705993 (Other)
https://openalex.org/W2547691825 (Other)
https://openalex.org/W2508914177 (Other)
https://openalex.org/W2233688317 (Other)
https://openalex.org/W2150174618 (Other)
https://openalex.org/W2058551485 (Other)
https://openalex.org/W2054221486 (Other)
https://openalex.org/W2013262681 (Other)
https://openalex.org/W1584694646 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1537288456
  • https://openalex.org/W1859367903
  • https://openalex.org/W1971768666
  • https://openalex.org/W1971799180
  • https://openalex.org/W1982697028
  • https://openalex.org/W1986595243
  • https://openalex.org/W1989583718
  • https://openalex.org/W1998286655
  • https://openalex.org/W2016931827
  • https://openalex.org/W2020914277
  • https://openalex.org/W2023749338
  • https://openalex.org/W2026617394
  • https://openalex.org/W2029741633
  • https://openalex.org/W2032571350
  • https://openalex.org/W2036775223
  • https://openalex.org/W2055486200
  • https://openalex.org/W2057784541
  • https://openalex.org/W2064452095
  • https://openalex.org/W2083103593
  • https://openalex.org/W2090769718
  • https://openalex.org/W2123044008
  • https://openalex.org/W2163426548
  • https://openalex.org/W2167209001
  • https://openalex.org/W2558046249
  • https://openalex.org/W2559834921
  • https://openalex.org/W2605327728
  • https://openalex.org/W2769660552
  • https://openalex.org/W2775221995
  • https://openalex.org/W2808268287
  • https://openalex.org/W2883754736
  • https://openalex.org/W2897169422
  • https://openalex.org/W2902417575
  • https://openalex.org/W2951411071
  • https://openalex.org/W3012181034
  • https://openalex.org/W3014722972
  • https://openalex.org/W3022488871