电化学阻抗谱知识点滴(讲义)(基础篇)(修订版)

电化学原理与方法-电化学阻抗谱电化学阻抗谱的设计基础和前几章我们讨论的控制电势和控制电流技术基本类似，也是给电化学系统施加一个扰动电信号，然后来观测系统的响应，利用响应电信号分析系统的电化学性质。

所不同的是，EIS 给电化学系统施加的扰动电信号不是直流电势或电流，而是一个频率不同的小振幅的交流正弦电势波，测量的响应信号也不是直流电流或电势随时间的变化，而是交流电势与电流信号的比值，通常称之为系统的阻抗，随正弦波频率?的变化,或者是阻抗的相位角随频率的变化。

可以更直观的从这个示意图来看，利用波形发生器，产生一个小幅正弦电势信号，通过恒电位仪，施加到电化学系统上，将输出的电流/电势信号，经过转换，再利用锁相放大器或频谱分析仪，输出阻抗及其模量或相位角。

通过改变正弦波的频率，可获得一些列不同频率下的阻抗、阻抗的模量和相位角，作图即得电化学阻抗谱-这种方法就称为电化学阻抗谱法。

将电化学阻抗谱技术进一步延伸，在施加小幅正弦电势波的同时，还伴随一个线性扫描的电势，这种技术称之为交流伏安法。

本章只介绍电化学阻抗谱技术。

由于扰动电信号是交流信号，所以电化学阻抗谱也叫做交流阻抗谱。

利用电化学阻抗谱研究一个电化学系统时，它的基本思路是将电化学系统看作是一个等效电路，关于电化学系统等效电路的概念我们前面已经介绍过了，这个等效电路是由电阻、电容、电感等基本元件按串联或并联等不同方式组合而成，通过EIS，可以定量的测定这些元件的大小，利用这些元件的电化学含义，来分析电化学系统的结构和电极过程的性质。

这一节我们来介绍有关电化学阻抗谱的一些基础知识和基本概念。

首先来看电化学系统的交流阻抗的含义。

将内部结构未知的电化学系统当作一个黑箱，给黑箱输入一个扰动函数（激励函数），黑箱就会输出一个响应信号。

用来描述扰动与响应之间关系的函数，称为传输函数。

传输函数是由系统的内部结构决定的，因此通过对传输函数的研究，就可以研究系统的性质，获得有关系统内部结构的信息。

eis阻抗谱摘要：一、引言二、eis 阻抗谱的基本概念1.电化学阻抗谱（EIS）2.eis 阻抗谱的原理三、eis 阻抗谱的应用领域1.电化学反应研究2.电极过程动力学研究3.电化学传感器4.锂电池研究四、eis 阻抗谱的实验方法1.频率范围的选择2.测量电极和参比电极的放置3.阻抗谱的解析五、eis 阻抗谱的局限性和发展趋势1.数据处理和解析的复杂性2.实验条件的敏感性3.新技术的发展正文：一、引言电化学阻抗谱（EIS）是一种广泛应用于电化学领域的分析技术，能够提供电极系统对电流响应的详细信息。

eis 阻抗谱作为EIS 的一种，具有很高的研究价值。

本文将介绍eis 阻抗谱的基本概念、应用领域、实验方法及其局限性和发展趋势。

二、eis 阻抗谱的基本概念1.电化学阻抗谱（EIS）：电化学阻抗谱是一种描述电化学反应过程中电极系统的阻抗变化的实验技术。

2.eis 阻抗谱的原理：通过施加不同频率的正弦交流电压，测量电极系统的阻抗随频率的变化，从而获得电极过程的动力学信息。

三、eis 阻抗谱的应用领域1.电化学反应研究：eis 阻抗谱可以用于研究电化学反应的速率常数、电子转移数等动力学参数。

2.电极过程动力学研究：通过分析eis 阻抗谱，可以了解电极过程的动力学机制，如电极反应的活化能等。

3.电化学传感器：eis 阻抗谱可用于评估电化学传感器的性能，如灵敏度、选择性等。

4.锂电池研究：eis 阻抗谱在锂电池研究中的应用主要包括评估电极材料的性能、研究电池的充放电机制等。

四、eis 阻抗谱的实验方法1.频率范围的选择：根据所需研究的电极过程，选择合适的频率范围，一般为几赫兹至几千赫兹。

2.测量电极和参比电极的放置：通常采用三电极体系，包括工作电极、参比电极和对电极。

3.阻抗谱的解析：通过分析实部和虚部的阻抗值，获得电极过程的动力学信息。

五、eis 阻抗谱的局限性和发展趋势1.数据处理和解析的复杂性：eis 阻抗谱的数据处理和解析需要一定的电化学知识，对实验人员的要求较高。

献给被电化学阻抗谱（EIS）困扰的你撰文：圆的方块编辑：卢帮安所属专栏：电化学天地这篇文章会介绍一些电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）的基础知识。

1. 核心逻辑一个电化学反应和一个电路，有什么共同点呢？二者，外加一个电压信号，就会产生一个电流信号。

因为同样具备这种“输入-输出”关系，我们可以把电化学反应和电路联系起来。

一个电路中，直流电受到阻碍，我们称之为电阻。

将这个概念延伸到交流电中，我们就可以得到阻抗（impedance，Z）。

阻抗：电路中的交流电所遇到的阻碍。

阻抗（Z）与电压（E）, 电流（I）的关系，在形式上就是电阻的欧姆定律：因为交流电具有频率，因此，阻抗也会随着频率而改变。

不同频率下，阻抗会更接近于某种器件，如电阻或电容等。

综合以上两点，得到EIS技术的核心：整个电化学反应可以表示为一个阻抗。

输入细微扰动，输出不同频率下的阻抗信息。

2. 基础概念与原理•EIS输入输出信号EIS的测试中，输入信号往往是小幅度正弦交流信号，进而测量系统的阻抗，从而进行等效电路的分析。

阻抗的输入信号有三个特征，振幅，频率。

输出信号也是。

•EIS谱图特征阻抗是一个复数，可表示为实部Z Re和虚部Z Im的两部分，因此，所得到的EIS谱图也是以这两部分为x，y轴。

举两个最简单的例子：当电路中仅存在电容C时，EIS图谱是一条重合于Y轴的直线，即只有虚部的阻抗Z。

当电阻R与电容C串联时，阻抗的实部Z Re有了数值，得到一个垂直于X轴的直线，与X轴交于R。

然而，文献中很多EIS结果是“半圆+尾巴”的曲线，如下图所示，那么，这种EIS结果是如何造成的呢？这可通过电化学反应的基本模型来进行解释。

•典型电化学反应模型与其等效电路典型的电化学过程包含一些基本构成，比如双电层和法拉第反应等，这些可有下图模型近似表示：与之对应，该过程的总阻抗可以抽象为三种电学元件，分别为：内阻RΩ，双电层电容C d，法拉第阻抗Z f其中，内阻：电解液和电极的内阻。

电化学阻抗谱导论电化学阻抗谱是电化学领域中一种重要的分析技术。

它可以通过测量电化学系统的交流电压和电流响应，获得材料、电极和电解质的电化学特性信息。

该技术已经广泛应用于电化学能源、电化学传感器、腐蚀和材料科学等领域。

本文将从以下几个方面介绍电化学阻抗谱的相关知识。

一、电化学阻抗谱的基本原理电化学阻抗谱是基于交流信号的电化学分析技术。

在电化学系统中，当施加一个正弦电位波形时，系统会产生一个正弦电流响应。

这种响应与电极表面的电化学反应和电解质中离子迁移有关。

通过将电位和电流信号随时间变化的数据转换为复数形式，可以得到电化学阻抗谱。

阻抗谱通常由复阻抗 Z 表示，其中实部表示电化学系统的电阻，虚部表示电化学系统的电容或电感。

二、电化学阻抗谱的测量和分析方法电化学阻抗谱的测量需要使用阻抗谱仪。

阻抗谱仪可以提供精确的正弦电位波形和测量电流的能力，以获得准确的阻抗谱。

在测量之前，需要准备好适当的电极和电解质，并将它们组装成电化学系统。

在测量过程中，可以通过改变施加的电位频率来获得不同频率下的阻抗谱。

通过对阻抗谱进行分析，可以得到电化学系统的电化学特性信息，如电阻、电容、电感、电化学反应速率等。

三、电化学阻抗谱在电化学能源领域中的应用电化学阻抗谱在电化学能源领域中有着广泛的应用。

例如，在锂离子电池中，阻抗谱可以用于研究电极和电解质的电化学特性，以改善电池性能。

在燃料电池中，阻抗谱可以用于评估燃料电池的稳定性和性能。

在太阳能电池中，阻抗谱可以用于研究电极和电解质的界面特性，以提高太阳能电池的效率。

四、电化学阻抗谱在腐蚀领域中的应用电化学阻抗谱在腐蚀领域中也有着广泛的应用。

通过测量腐蚀系统的阻抗谱，可以获得腐蚀速率、电化学反应机理、腐蚀产物的形成等信息。

这些信息可以帮助我们了解腐蚀过程的发生和控制腐蚀速率。

五、电化学阻抗谱在材料科学领域中的应用电化学阻抗谱在材料科学领域中也有着广泛的应用。

通过测量材料的阻抗谱，可以获得材料的电化学特性信息，如电化学反应速率、电极材料的稳定性、电化学界面的特性等。

一、传输函数一般的一个物理系统的扰动与响应之间的关系：传输函数：R=H(S).P其中R 为响应函数，H 为传输函数，P 为扰动函数常常电化学分析选用正弦波为扰动信号：Y=G(w).X1) 当X 为正弦波电流信号，Y 为正弦波电压信号时，G 为阻抗，G z2) 当X 为正弦波电压信号，Y 为正弦波电流信号时，G 为导纳，G Y 阻抗和导纳统称为导纳G 的稳定的线性系统的条件：a) 因果条件，排除系统中其他噪声信号的干扰，确保响应与扰动是唯一的因果关系；b) 线性条件，如果不满足线性条件，响应信号不仅具有W 的正弦波还有谐波。

只有在店微信号的正弦波幅值很小的（千分之几伏），所以常设定为5Mv,两者才接近线性关系；c) 稳定性条件，对系统施加扰动信号后不会引起系统内部结构的变化。

G(w)=G ’(W)+jG ”(W)G 为矢量，G ’为实部，G ”为虚部，所以阻阻抗：Z=Z ’+Z ’’导纳：Y=Y ’+Y ”Z=1/Y ，输入（扰动信号：电信号，光信号） 输出（响应信号：电信号，光信号） Y正弦波扰动信号二、电化学元件的导纳常用的线性元件电阻、电容、电感①电阻RZ R =Z ’R +Z ’’R =R + jZ ’’R Y R =Y ’R +Y ’’R =1/R + jY ’’R在复平面图上，用实轴的一个点表示，Bode 图上，与横坐标平行的直线②电容CZc=Z ’c+Z ’’c=-j 1/(wC)Yc=Y ’c+Y ’’c= 0 +j wC在复平面图上，与虚轴（-Z ’’或Y ’’）重合，Bode 图上，阻抗为斜率为-1的直线，导纳为斜率为+1的直线。

③电感LZ L =Z ’L +Z ’’L = 0 +j wLY L =Y ’L +Y ’’L = 0 -j 1/(wL)在复平面图上，与第四象限虚部轴重合，Bode 图上，阻抗为斜率为+1的直线，导纳为斜率为-1的直线。

三、复合元件（一）由电阻与电容串联复合的元件 阻抗： Z=R-j 1/(wC)=R+ 1/jwC在阻抗复平面图上，在第一象限中与实轴相较于R 平行于虚轴的一条直线 导纳：Y=1/Z=1/(R-j1/(wC)) (Y ’-1/2R)2+Y ’’2=(1/2R)2所以导纳复平面图为（1/2R,0）为圆心，1/2R 为半径的在第一象限的半圆 （二）电阻与电容并联的复合元件 （RC 导纳： Y=1/R+jwC在导纳复平面图上为与实轴相较于1/R 与虚轴平行的一条直线阻抗：Z=1/Y=R/(1+jwC.R) (Z ’-R/2)2+Z ’’2=(R/2)2虚部为0 实部为0实部为0在阻抗复平面图上为以（R/2，0）为圆心，R/2为半径的半圆（三）电阻与电感串联的复合元件 RL阻抗： Z=R+jwL阻抗复平面图在第四象限上，与实轴相较于R 且与虚轴平行的一条直线 导纳：Y=1/Z=R/(R 2+(wL)2)（Y ’-1/2R ）2+Y ’’2=(1/2R)2 导纳复平面图以（1/2R,0）位圆心，1/2R 为半径的在第四象限的半圆 （四）电阻与电感并联的复合元件 （RL ）导纳：Y=1/R+1/jwL=1/R-j1/(wL)导纳复平面为第四象限中与实轴相较于1/R ，且与虚轴平行的直线 阻抗：Z=1/Y=1/(1/R+1/jwL) （Z ’-R/2）2+Z ’’2=(R/2)2 阻抗复平面图为在第四象限以（R/2,0）为圆心，R/2位半径的半圆总结① R 与C 或L 串联②R 与C 或 L 并联 阻抗复平面图为与虚轴相平行的一条直线，且交于实轴R 处 导纳复平面图为与以（1/2R,0）为圆心，1/2R 为半径的半圆 阻抗复平面图为与以（R/2,0）为圆心，R/2为半径的半圆导纳复平面图为与虚轴相平行的一条直线，且交于实轴1/R 处。