电化学交流阻抗测量原理

1、 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。 X Y G = 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

2、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： = 2f，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/jC; = -90电感（L）： Z = jL; = 90常相位角元件（CPE） Z = (1/0V) (j/0)-; Thales表示法 Z

3、 = (1/Q) (j)-; Zman表示法 Z = A(j)-; Gamry表示法 其中： = 2f，0 = 21000 =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

4、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 WE Cdl Ru Ref 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

5、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

6、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。 1