电化学交流阻抗测量原理

电化学交流阻抗测量原理 阻抗基本定义 对于一个稳定的线性系统M 如果以一个角频率为 的正弦波电信号X 电压或电流 输入该系统 相应的从该系统输出一个角频率为 的正弦波电信号Y 电流或电压 此时线性系统的频响函数G Y X就是阻抗或导纳 XYG Y X 欧姆定律 E 电压 I 电流 Z 阻抗 M 电化学交流阻抗测量原理 直流电阻 可看做频率为0时的交流阻抗 交流阻抗测量条件 因果性 线性 稳定性 有限性 正弦波电位扰动幅度 通常5 10mV 交流电压 Voltage Et E0sin t 交流电流 Current It I0sin t 交流阻抗 Z Z Et It 交流导纳 Y Y It Et交流阻抗矢量 或复数 表示法 Ztotal Zreal Zimag 实部 虚部 阻抗模值 Z 2 Zreal2 Zimag2 E0 I0 相位角 tan Zimag Zreal其中 2 f f为交流电信号频率 电化学交流阻抗测量原理 交流阻抗测量原理 等效电路元件频率响应 电阻 Z R 0电容 C Z 1 j C 90电感 L Z j L 90常相位角元件 CPE Z 1 0 V j 0 Thales表示法Z 1 Q j Zman表示法Z A j Gamry表示法其中 2 f 0 2 1000 0时电阻 1时电容 0 5时Warburg阻抗 1时电感 扩散阻抗 Warburg Zw W j 1 2 Thales表示法Zw W 1 j 1 2 Zman表示法Zw W j 1 2 Gamry表示法 等效电路元件频率响应 电化学交流阻抗等效电路模型用电子元件构建电路模型 通过拟合计算元件参数值 使得该电路模型的交流阻抗谱图与实际测量的交流阻抗谱图一致 交流阻抗谱图拟合得到的等效电路不是唯一的 必须针对实际的被测量体系进行合理的物理过程解释 对等效电路中的每个元件说明其物理意义 ZHIT转换 将相位对频率变化的曲线经过ZHIT转换后得到阻抗模值随频率的变化曲线 K K转换 Kramers Kronig 交流阻抗谱图实部和虚部的关系 电极 溶液界面的等效电路 未补偿的溶液电阻 Ru Ru L A 为电导率 A 电极面积L 为工作电极与参比电极之间的距离 双电层电容 Cdl 电极和溶液界面之间的电容WECdlRuRef 电化学工作站原理图 四电极连接示意图 二电极连接示意图 三电极连接示意图 四电极连接示意图 电化学交流阻抗谱图解析 根据测量得到的EIS谱图 确定等效电路 根据已建立的等效电路 设置各个元件的参数值 应用等效电路拟合软件 自动调整各个元件的参数值 使得等效电路的EIS谱图与测量的EIS谱图逐渐逼近 直到满足拟合软件所控制的误差条件为止 可用拟合软件查看在频率坐标范围内的拟合误差分布图 各个元件的影响频谱图 预测阻抗等效电路在更低频率或更高频率范围内的变化趋势 常用的阻抗谱图 BODE图 阻抗模值的对数log Z 和相位角对相同的横坐标频率的对数logf作图 Nyquist图 阻抗复数平面图 阻抗虚部为纵坐标 阻抗实部为横坐标作图 SIM交流阻抗拟合特点 从交流阻抗BODE图曲线上直接选择频率数据点 然后选择阻抗元件类型 软件自动提示该元件的初始值 等效电路可分成多个部分 然后进行串 并联连接 每个部分等效电路可实现所有阻抗元件的串 并联连接 等效拟合时选取数据点方式 自动选点 手动选点 等效电路拟合后可查看每个元件的频率响应分布图 等效电路频谱图的频率坐标可任意设置 EIS IMVS IMPS对比 EIS IMPS IMVS原理 交流阻抗测量方法 1 开路电位 交流电压扰动法 交流电流扰动法2 恒电位 交流电压扰动法3 恒电流 交流电流扰动法4 恒电流 交流电压扰动法5 时间参数变化 一系列测量交流阻抗6 恒电位参数变化 一系列测量交流阻抗7 恒电流参数变化 一系列测量交流阻抗8 RMUX多通道变化 一系列测量交流阻抗 4 10V 交流阻抗测量方法 9 PAD4多通道同时测量交流阻抗 4V 输入阻抗200K 10 电池循环充 放电的同时测量交流阻抗11 固定单一频率系列测量交流阻抗 可实现交流阻抗 或电容 对电位变化 电流变化 时间变化等一系列测量 12 控制光强