Final Freq / Low Freq DC Voltage / Initial E AC Voltage / Amplitude 5 mV左右 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: Cd R ZW Rct 等效电路的阻抗: 1 Z R jCd
Rct 1 1/ 2 (1 j) 等效电路: Cd R 等效电路的阻抗: 电化学阻抗原理及谱图分析(EIS) Electrochemical Impedance Spectroscopy NAME 由电阻、电容、电感等基本元 件串并联组合而成等效电路 研究的基本思路 电阻 R 电容 C 电感 L 应用 ➢ 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 …… 线性条件(linearity)) 稳定性条件(stability) 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 2 HOW — 怎么分析阻抗谱? 正弦电势信号: --角频率 正弦电流信号: --相位角 电阻 e iR i E sin(t) R 纯电阻,=0, 写成复数: ZC R 实部: Z ' R
R 虚部: Z '' R
0 -Z'' Z' 电容 i C de dt i CE sin(t ) '' 虚部Z'' (Z',Z'') |Z|
实部Z' 电化学系统的交流阻抗的含义 EIS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。 奈奎斯特图 Nyquist plot 阻纳 电化学系统的交流阻抗的含义 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: G() G '() jG ''() 若G为阻抗,则有: Z Z ' jZ '' 阻抗Z的模值: 阻抗的相位角为 : Z Z'2 Z''2 tan
Z Z' 1/ 2 (1 j) 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: Nyquist 图上扩散控 制表现为斜率为1的 直线。 阻抗谱测试中的主要参数设置 Initial Freq / High Freq 105Hz—10-4Hz Y 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M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即为角 频率也为的正弦电流信号,此时,函数G()就称 之为系统M的导纳(admittance), 用Y表示。 Rct Z R 1 jCd 1 Rct 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: 0 RRct/2 等效电路: Cd R ZW Rct 等效电路的阻抗: 1 Z
R
jCd
Rct 1
R (RC ) 2
j 1 R 2C (RC ) 2 实部: Z ' R 1 (RC)2 虚部: Z ' '
1 R 2C (RC ) 2 消去,整理得: Z ' R 2 Z ''2 R 2 2 2 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 Science, 2016, 353(6298): 467-470. J Solid State Electrochem (2005) 9: 421–428 Question WHAT — 什么是阻抗谱? HOW — 怎么分析阻抗谱? Question 1 WHAT — 什么是阻抗谱? 交流阻抗测试系统——电化学工作站 波特图 Bode plot log|Z| / deg 电化学系统的工作原理 阻抗~频率 锁相放大器 频谱分析仪 交流伏安法 阻抗模量、相位角~频率 Eeq E=E 0sin(t) 电化学阻抗法 t 阻抗测量技术 EIS测量的前提条件 因果性条件(causality) 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左右,一般不超过10mV。 2 i E sin(t ) XC 2 XC
1 C 电容的容抗(),电容的相位角=/2 写成复数: ZC jX C j(1/ C) * 实部: 虚部: ZC' 0 Z '' C
1/ C -Z'' * *** Z' 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 Z
ZR
ZC
R j( 1 ) C 实部: Z ' R 虚部: Z '' 1/ C Nyquist 图上为与横轴交于R与纵 轴平行的一条直线。 电组R和电容C并联的电路 Z Z ' jZ '' 并联电路的阻抗的倒数是各并联元件 阻抗倒数之和 1 Z