电化学阻抗谱.pptx

1、电化学阻抗原理及谱图分析(EIS)Electrochemical Impedance SpectroscopyNAMEScience,2016,353(6298):467-470.J Solid State Electrochem(2005)9:421428电极过程动力学分析：双电层和和扩散等研究电极材料固体电解质导电高分子腐蚀防护机理应用应用电阻 R电容 C电感 L研究的基本思路由电阻、电容、电感等基本元件串并联组合而成等效电路 QuestionWHAT 什么是阻抗谱？HOW 怎么分析阻抗谱？Question 1WHAT 什么是阻抗谱？交流阻抗测试系统电化学工作站上海辰华 chi 系列天津兰

2、立科技 LK 系列美国 AMETEK 普林斯顿荷兰 Ivium瑞士万通 Metrohm德国 ZAHNER 电化学工作站电极接口介绍三电极体系：一般多见于和 PC 连接的电化学工作站四电极体系：多见于电池测试系统五电极体系：多了一个感应电极电化学系统的交流阻抗的含义XYG（）M给黑箱（电化学系统 M）输入一个扰动函数 X，它就会输出一个响应信号 Y。用来描述扰动与响应之间关系的函数，称为传输函数 G()。如果 X 为角频率为的正弦波电流信号，则 Y 即为角频率也为的正弦电势信号，此时，函数G()称之为系统的阻抗（impedance)，用Z 表示。如果 X 为角频率为的正弦波电势信号，则 Y 即为

3、角频率也为的正弦电流信号，此时，函数 G()就称之为系统的导纳（admittance)，用 Y 表示。阻纳若 G 为阻抗，则有：实部 Z虚部 Z|Z|(Z,Z)阻抗 Z 的模值：阻抗的相位角为：阻纳 G 是一个随变化的矢量，通常用角频率（或一般频率 f，=2f）的复变函数来表示，即：电化学系统的交流阻抗的含义ZZjZ=+2 2 ZZZ tanZZ()()()GGjGwww=+uEIS 技术就是测定不同频率（f）的扰动信号 X 和响应信号 Y 的比值，得到不同频率下阻抗的实部 Z、虚部 Z”、模值|Z|和相位角，然后将这些量绘制成各种形式的曲线，就得到EIS 抗谱。电化学系统的交流阻抗的含义lo

4、g|Z|/deg奈奎斯特图 Nyquist plot波特图 Bode plot锁相放大器频谱分析仪阻抗 频率Eeqt电化学阻抗法交流伏安法阻抗测量技术阻抗模量、相位角 频率E=E 0sin(t)电化学系统的工作原理EIS 测量的前提条件因果性条件（causality）线性条件（linearity）稳定性条件（stability）输出的响应信号只是由输入的扰动信号引起的。输出的响应信号与输入的扰动信号之间存在线性关系。电化学系统的电流与电势之间是动力学规律决定的非线性关系，当采用小幅度的正弦波电势信号对系统扰动，电势和电流之间可近似看作呈线性关系。通常作为扰动信号的电势正弦波的幅度在 5mV 左

5、右，一般不超过 10mV。扰动不会引起系统内部结构发生变化，当扰动停止后，系统能够回复到原先的状态。可逆反应容易满足稳定性条件；不可逆电极过程，只要电极表面的变化不是很快，当扰动幅度小，作用时间短，扰动停止后，系统也能够恢复到离原先状态不远的状态，可以近似的认为满足稳定性条件。Question 2HOW 怎么分析阻抗谱？正弦电势信号：正弦电流信号：-角频率-相位角电阻纯电阻，=0，Z-Z写成复数：实部：虚部：Z-Z*写成复数：电容电容的容抗（），电容的相位角=/2实部：虚部：iRe)sin(tREiRZR0 RZRZC)/1(CjjXZCC0CZCZC/1 dtdeCi)2sin(tCEi)2

6、sin(tXEiCCXC1电阻 R 和电容 C 串联的 RC 电路串联电路的阻抗是各串联元件阻抗之和Nyquist 图上为与横轴交于 R 与纵轴平行的一条直线。实部：虚部：)1(CjRZZZCRRZCZ/1 电组 R 和电容 C 并联的电路并联电路的阻抗的倒数是各并联元件阻抗倒数之和实部：虚部：消去，整理得：圆心为(R/2，0),半径为 R/2 的圆的方程Nyquist 图上为半径为 R/2 的半圆222)(1)(11111RCCRjRCRCjRZZZCR2)(1RCRZ jZZZ22)(1 RCCRZ2222 2RZRZCdRctR ZW阻抗是一个复数，可表示为实部 ZRe 和虚部 ZIm

7、两部分，因此，所得到的 EIS 谱图也是以这两部分为 x，y 轴。典型的 EIS 结果是“半圆+尾巴”的曲线，如下图所示：等效电路的阻抗：等效电路：)1(112/1ctdjRCjRZ0CdRctR阻抗是一个复数，可表示为实部 ZRe 和虚部 ZIm 两部分，因此，所得到的 EIS 谱图也是以这两部分为 x，y 轴。典型的 EIS 结果是“半圆+尾巴”的曲线，如下图所示：等效电路的阻抗：等效电路：2/ctRRctd11RCjRZCdRctR ZW阻抗是一个复数，可表示为实部 ZRe 和虚部 ZIm 两部分，因此，所得到的 EIS 谱图也是以这两部分为 x，y 轴。典型的 EIS 结果是“半圆+尾巴”的曲线，如下图所示：等效电路的阻抗：等效电路：Nyquist 图上扩散控制表现为斜率为 1 的直线。)1(112/1ctdjRCjRZ阻抗谱测试中的主要参数设置Initial Freq/High FreqFinal Freq/Low FreqDC Voltage/Initial EAC Voltage/Amplitude105Hz10-4Hz5 mV 左右