電化學阻抗譜

電化學阻抗譜

交流電勢與電流信号的比值
電化學阻抗譜是給電化學系統施加一個頻率不同的小振幅的交流電勢波,測量交流電勢與電流信号的比值,此比值即為系統的阻抗随正弦波頻率ω的變化,或者是阻抗的相位角Φ随ω的變化。[1]進而分析電極過程動力學、雙電層和擴散等,研究電極材料、固體電解質、導電高分子以及腐蝕防護等機理。
    中文名:電化學阻抗譜 外文名:Electrochemical Impedance Spectroscopy 别名: 簡稱:EIS 用途:研究電極材料、固體電解質等

研究思路

電化學系統看做是一個等效電路,這個等效電路是由電阻(R)、電容(C)和電感(L)等基本元件按串并聯等不同方式組合而成的。通過eIS,可以測定等效電路的構成以及各元件的大小,利用這些元件的電化學含義,來分析電化學系統的結構和電極過程的性質等。

EIS的測定方法

給黑箱(電化學系統)輸入一個擾動函數X,它就會輸出一個響應信号Y。用來描述擾動信号和響應信号之間關系的函數,稱為傳輸函數。若系統内部結構是線性的穩定結構,則輸出信号就是擾動信号的線性函數。

如果X是角頻率為ω的正弦波電流信号,則Y即為角頻率也是ω的正弦電勢信号。此時Y/X既稱為系統的阻抗,用Z表示。

如果X是角頻率是ω的正弦波電勢信号,則Y即為角頻率也是ω的正弦電流信号。此時Y/X既稱為系統的導納,用Y表示。

阻抗和導納統稱為阻納,用G表示。阻抗和導納互為倒數關系,Z=1/Y。二者關系與電阻和電導相似。

EIS測量的前提條件

因果性條件:輸出的響應信号隻是由輸入的擾動信号引起的。

線性條件:輸出的響應信号與輸入的擾動信号之間存在線性關系。電化學系統的電流與電勢之間是動力學規律決定的非線性關系,當采用小幅度正弦波電勢信号對系統擾動,電勢和電流之間可以近似看做呈線性關系。

穩定性關系:擾動不會引起系統内部結構發生變化,當擾動停止後,系統能夠恢複到原先的狀态,可逆反應容易滿足穩定性條件,不可逆電極過程,隻要電極表面的變化不是很快,當擾動幅度小、作用時間短,擾動停止後,系統也能夠恢複到離原先狀态不遠的狀态,可以近似認為滿足穩定性條件。

EIS的特點

1,由于采用小幅度的正弦電勢信号對系統進行微擾,電極上交替出現陽極和陰極過程(也就是氧化和還原過程),二者作用相反。因此,即使擾動信号長時間作用于電極,也不會導緻極化現象的積累性發展和電極表面狀态的積累性變化。因此EIS法是一種“準穩态方法”。

2,由于電勢和電流間存在着線性關系,測量過程中電極處于準穩态,使得測量結果的數學處理簡化。

3,EIS是一種頻率域測量方法,可測定的頻率範圍很寬,因而可以比常規電化學方法得到更多的動力學信息和電極界面結構信息。

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