Hydrogen gas crossover measurements and durability tests of a single cell under open-circuit conditions were carried out to investigate membrane degradation in polymer electrolyte fuel cells (PEFCs). The limiting current density for hydrogen crossover was approximately 0.8 mA cm−2 at 80 °C under atmospheric pressure, and gas crossover increased with an increase in cell temperature, humidity and hydrogen gas pressure. Under open-circuit conditions, the perfluorinated ionomer electrolyte membrane deteriorated significantly although no net electrochemical reactions took place at the cathode and anode. The mechanism for membrane degradation was discussed in terms of heat generation and hydrogen peroxide formation upon gas crossover and the resulting catalytic combustion, and it was concluded that the latter is the primary reason, in which hydrogen peroxide is most probably formed by gas crossover of oxygen and the resulting catalytic combustion at the anode side. In addition, it was inferred that reactive oxygen radicals (HO and HO2) were formed in the presence of minor impurities such as Fe2+ and Cu2+ ions, which could accelerate the membrane degradation.

Solvated lithium-ion transfer at the interface between the graphite and electrolyte was investigated by ac impedance spectroscopy. Electrolytes consisting of 1 mol dissolved in 1,2-dimethoxyethane (DME) and dimethylsulfoxide (DMSO) were used. Cyclic voltammograms of highly oriented pyrolytic graphite in the above electrolytes showed that solvated lithium ion intercalation occurred below a potential of 1.5 V (vs. In 1 mol electrolyte, impedance spectra of graphite were measured at a potential of 1.1 V. One semicircle was found in the Nyquist plot with a characteristic frequency of 15.8 Hz. For only lithium (nonsolvated lithium) ion intercalation, charge (lithium ion) transfer resistance was observed at a characteristic frequency of less than 0.1 Hz. The temperature-dependence of the charge-transfer resistances for solvated lithium ion transfer and lithium ion-only transfer gave activation energies of around 25 and 53-59 kJ respectively. These results suggest that solvated lithium ion transfer at the interface between graphite and electrolyte should be very fast, and the desolvation process for ion intercalation and deintercalation at the graphite electrode should play an important role in intercalation/deintercalation kinetics at the interface between electrode and electrolyte. © 2004 The Electrochemical Society. All rights reserved.

Carbon-coated Si has been prepared by a thermal vapor decomposition method. Its electrochemical performance has been investigated by charge/discharge tests, cyclic voltammetric experiments, differential scanning calorimetry, and -nuclear magnetic resonance, etc. This kind of material demonstrates good electrochemical performance as an anode material for lithium-ion batteries. The improvement in the electrochemical performance of Si is mainly attributed to the effect of carbon coating. © 2002 The Electrochemical Society. All rights reserved.

Alkaline direct alcohol fuel cells using an OH-form anion exchange membrane and polyhydric alcohols were studied. A high open circuit voltage of ca. 800 mV was obtained for a cell using Pt–Ru/C (anode) and Pt/C (cathode) at 323 K, which was about 100–200 mV higher than that for a DMFC using Nafion®. The maximum power densities were in the order of ethylene glycol > glycerol > methanol > erythritol > xylitol. Silver catalysts were used as a cathode catalyst to fabricate alkaline fuel cells, since silver catalyst is almost inactive in the oxidation of polyhydric alcohols. Alkaline direct ethylene glycol fuel cells using silver as a cathode catalyst gave excellent performance because higher concentrations of fuel could be supplied to the anode.

The interfacial layer formed between a lithium-ion conducting solid electrolyte, Li7La3Zr2O12 (LLZ), and LiCoO2 during thin film deposition was characterized using a combination of microscopy and electrochemical measurement techniques. Cyclic voltammetry confirmed that lithium extraction occurs across the interface on the first cycle, although the nonsymmetrical redox peaks indicate poor electrochemical performance. Using analytical transmission electron microscopy, the reaction layer (∼50 nm) was analyzed. Energy dispersive X-ray spectroscopy revealed that the concentrations of some of the elements (Co, La, and Zr) varied gradually across the layer. Nano-beam electron diffraction of this layer revealed that the layer contained neither LiCoO2 nor LLZ, but some spots corresponded to the crystal structure of La2CoO4. It was also demonstrated that reaction phases due to mutual diffusion are easily formed between LLZ and LiCoO2 at the interface. The reaction layer formed during high temperature processing is likely one of the major reasons for the poor lithium insertion/extraction at LLZ/LiCoO2 interfaces.

The kinetics of lithium ion transfer at an interface between graphite and liquid electrolyte was studied by ac impedance spectroscopy. Using highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) as a model electrode, we evaluated the activation energies of the interfacial lithium ion transfer from the temperature dependences of the interfacial conductivities. When a binary electrolyte consisting of LiClO4 dissolved in a mixture of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) (1:1 by volume) was used, the activation energy of the interfacial lithium ion transfer was 58 kJ mol−1, while an electrolyte consisting of LiClO4 dissolved in DMC gave an activation energy of 40 kJ mol−1. A calculation with the density functional theory clarified that the solvation ability of EC is higher than that of DMC. Therefore, we concluded that the activation energies of the interfacial lithium ion transfer at graphite reflected the energies for the desolvation of lithium ion from the solvent molecule. Furthermore, the activation energies of the interfacial lithium ion transfer varied in the presence of different surface films (solid electrolyte interphase, SEI). These results suggest that the kinetics of the interfacial lithium ion transfer at graphite is influenced by the compositions of SEI films as well as the desolvation of lithium ion from solvent molecules.

Electron holography reveals how lithium ions are distributed during the charge/discharge cycle of a lithium battery. A steep potential drop and a gradually extended slope (ca. 1.5 μm) due to the electrical double layer are formed near the electrode/electrolyte interface, where the resistance to lithium ion transfer occurs.

The degradation behaviors of bare and Al-oxide coated LiCoO2 in the high-voltage phase transition region were investigated at the charge voltage of 4.7 V. In both materials, two voltage plateaus that indicate phase transitions from the O3 to H1-3 and O1 phases were observed in the first charge/discharge. Bare LiCoO2 exhibited considerably decreased capacity, and increased polarization and charge transfer resistance in the cycle test, whereas these changes were remarkably suppressed in the coated LiCoO2. The phase transitions of the coated LiCoO2 can be assumed to be fairly reversible, since the voltage plateaus remained even after 20 cycles. After the cycle tests, stacking faults were observed throughout the bare LiCoO2 particle. Pitting corrosion occurred on the faults, and the formation of a spinel-like layer was observed on the surface of the cycled bare LiCoO2. The pitting corrosion caused intrinsic capacity fading by Co dissolution. The formation of the spinel-like layer also resulted in effective capacity fading due to the increased polarization. Both the pitting corrosion and the formation of the spinel-like layer were markedly suppressed by the surface coating. Therefore, a surface coating that stabilizes the electrode/electrolyte interface greatly affects the charge/discharge characteristics, even in the high-voltage phase transition region.

We investigated the reversible charge compensation mechanism of an Li₂MnO₃ electrode using soft XAS analysis. We concluded that both the Mn and O ions participated in the charge compensation reactions during the reversible redox cycles.