电化学阻抗谱

电化学阻抗谱

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2023年2月20日发(作者：昆虫卵)

电化学阻抗谱的原理和特点

⼀些同学在做电化学阻抗谱测试的时候，可能会对电化学阻抗谱有些不理解的地⽅，今天铄思百检测直接整理好电化学

阻抗谱的相关知识，希望能帮到同学们。

电化学阻抗谱（简称EIS）最早起源于线性电路⽹络频率响应特性的有关研究⼯作当中，将这⼀特性结合电极过程的研

究，发展了⼀种使实⽤的电化学研究⽅法。早期的电化学阻抗谱研究多集中在可逆电极体系，⼀⽅⾯，EIS是⼀种以⼩

振幅的正弦波信号为扰动信号的电化学测量⽅法，可以有效避免体系产⽣⼤的影响;另⼀⽅⾯，扰动和体系的相应之间呈

近似线性关系，可以促使测试结果的数学处理简易化。由于可逆的电化学过程在扰动消失后能够迅速恢复到热⼒学稳定

状态，不存在稳定性条件问题，因此，阻抗谱的数据分析可以借鉴电学中的⽅法。⽽在对不可逆的电极进⾏测量时，要

近似的满⾜稳定性条件是⽐较困难的，这种情况下使⽤频率域的⽅法进⾏阻抗测试更为突出。由于使⽤频率域的⽅法测

量阻抗的低频数据耗时较长，测试的过程中电极的表⾯状态可能会发⽣⼤的变化，因此，电化学阻抗测试卷结果的可靠

性需要基于因素性、线性和稳定性三个基本条件进⾏展开。

近年来，基于傅⾥叶变化的豫驰时间分布技术DRT的应⽤极⼤的促进了EIS的数据解析的发展。不同的电化学过程所体

现的频率域和阻抗信息有所不同，以锂电池为例，正极CEI和负极SEI可能在阻抗谱上出现重叠，但是在实际上两者的

动⼒学时间常数可能会存在较⼤的差异。通过傅⾥叶变换计算，将频率域的EIS数据变换到时间域的阻抗分布数据可以

清晰地将不同时间常数的电化学过程进⾏剥离，从⽽精确分析电极的动⼒学信息。

实验原理和特点

电化学阻抗谱是在电化学电池处于平衡状态下(开路状态)或者在某⼀稳定的直流极化条件下，按照正弦规律施加⼩幅交

流激励信号，研究电化学的交流阻抗随频率的变化关系，称之为频率域阻抗分析⽅法。

电化学阻抗谱数据可以有多种展⽰⽅法，最常⽤的为复数阻抗图和阻抗波特图。复数阻抗图是以阻抗的实部为横轴，负

的虚部为纵轴绘制的曲线，称之为Nyquist图或者Cole-cole图。

阻抗波特图则由两条曲线组成，其中的⼀条曲线描述阻抗模量和频率之间的变化关系，称之为Bode模量图;另⼀条曲线

描述阻抗的相位⾓随频率的变换关系，称之为Bode相位图。⼀般测量时间同时给出模量图和相位图，称为Bode图。除

此之外，还包括介电系数谱和介电模量谱。

EIS测量的前提条件：

（1）因果性条件：输出的响应信号只是由输⼊的扰动信号引起的;

（2）线性条件：输出的响应信号与输⼊的扰动信号存在线性关系;

（3）稳定性条件：扰动不会引起系统内部结构发⽣变化，当扰动停⽌后，系统能够恢复到原先状态。

对于电化学阻抗谱测试⽽⾔，由于采⽤的⼩幅度的正弦电势信号对系统进⾏微扰，电极上交替出现阳极和阴极过程，⼆

者作⽤相反，因此，即使扰动信号长时间作⽤于电极，也不会导致极化现象的积累性发展和电极表⾯状态的积累性变

化，因此EIS属于⼀种“准稳态⽅法”。

另⼀⽅⾯由于电势和电流间存在线性关系，测量过程中电极处于准稳态，使得测试数据的数字化处理⼗分简易，并且频

率域的测量⽅法赋予了EIS很宽的测定频率范围。

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