第二讲 电测技术EIS
电化学阻抗技术在固体氧化物燃料电池中的应用
电化学阻抗技术在固体氧化物燃料电池中的应用电化学阻抗技术（EIS）是一种在电化学系统中广泛使用的测量技术，它可以提供关于界面反应、电荷传输和物质扩散等过程的宝贵信息。
在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，EIS也发挥了重要的作用。
一、评估SOFC性能通过电化学阻抗技术，我们可以评估SOFC的性能。
一般来说，SOFC的阻抗谱可以提供关于其电荷传输、物质扩散和界面反应等过程的深入理解。
通过测量阻抗谱，我们可以得到电池的电荷转移电阻、扩散阻抗以及反应界面处的电阻等信息。
这些信息对于评估SOFC的性能和优化其设计至关重要。
二、理解反应动力学电化学阻抗技术还可以帮助我们理解SOFC的反应动力学。
通过分析阻抗谱，我们可以得到化学反应的速率常数和活化能等重要参数。
这些参数对于优化SOFC的运行条件和提高其效率至关重要。
三、诊断失效原因在SOFC的运行过程中，可能会出现失效现象。
电化学阻抗技术可以帮助我们诊断失效的原因。
一般来说，如果SOFC的阻抗值突然增加，这可能意味着电池内部的某些部分已经失效。
通过分析阻抗谱的变化，我们可以确定失效的具体原因，例如阳极中毒、电解质断裂等。
四、优化材料选择电化学阻抗技术也可以帮助我们优化SOFC的材料选择。
通过比较不同材料的阻抗谱，我们可以评估它们的电荷传输性能和化学反应活性。
这些信息对于选择最适合SOFC的材料至关重要。
五、预测电池寿命最后，电化学阻抗技术还可以帮助我们预测SOFC的寿命。
通过分析阻抗谱的变化趋势，我们可以预测电池在未来运行过程中的性能。
这可以帮助我们及时更换电池或调整运行条件，以延长SOFC的使用寿命。
总之，电化学阻抗技术在固体氧化物燃料电池中发挥了重要的作用。
它不仅可以帮助我们评估电池的性能和反应动力学，还可以诊断失效原因、优化材料选择并预测电池的寿命。
通过深入理解电化学阻抗技术在SOFC中的应用，我们可以进一步提高SOFC的性能和稳定性，为未来的能源领域做出更大的贡献。
eis电化学阻抗谱
eis电化学阻抗谱电化学阻抗谱(EIS)作为一种电化学测试技术，被广泛应用于质量检测、材料表征、材料性能评估及传感器研究等领域。
它结合电化学测量原理，提供精确、可靠的测量结果，是分析电化学系统的一种重要的手段。
EIS通常用于测量电池的性能，以及对表面活性剂、药物、还原性和氧化性材料的性能评估。
由于它可以检测电池的内部结构以及活性组分之间的相互作用，因此EIS也可以用于探索和研究复合材料的机械性能，从而更有效地评估材料性能。
EIS分为两个主要部分：电化学阻抗和直接电化学测量。
它之所以被称为阻抗谱，是因为它允许测量频率和电压的变化，从而允许获得从静态反应到动力学的详细信息。
电化学阻抗反映了直流电化学传导过程的能量消耗情况，而直流电化学测量则是关于活性物质及电极表面反应的信息。
EIS测量方法主要包括六个步骤。
首先，样品被接入电阻抗仪，并设定频率范围，将其设定为多定值电流模式，并可选择幅值大小和持续时间。
然后，电阻抗仪将产生多种频率的交流信号，经过样品随后回流的电容量，电阻和电感，最终根据这些参数形成的参数矩阵和熔锥平面图，来衡量样品的电化学行为，包括延时、电阻度和极化率等因素。
最后，得到的结果可用于反映样品的电化学性能，以及电化学反应过程中的细节。
电化学阻抗谱测试显示，当频率范围比较宽的情况下，可以更有效地反映样品的电化学特性，从而更有效地探索和评估电化学系统的组成。
在具体的测试应用中，电化学阻抗谱测试可以提供有效的信息，有助于了解样品的电化学行为，更好地控制电池的质量和性能，提高传感系统的准确性，并用于研究特定电化学反应机制等。
因此，EIS测试是一种重要的分析工具，已被广泛应用于各种电化学技术的研究、测试和分析。
它结合了电化学测量的原理，可以有效地检测电池的内部结构，以及活性组分之间的相互作用，更有效地探索和评估材料性能。
由此可见，电化学阻抗谱是一种重要的电化学测试，可用于分析电池及其他电化学系统，提供精确可靠的测量结果。
eis计算电导率
eis计算电导率
【最新版】
目录
1.电导率的概念
2.EIS 计算电导率的原理
3.EIS 测量电导率的步骤
4.EIS 计算电导率的应用
5.总结
正文
电导率是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数，它的计算公式为电导率=电流/电压。
当 1 安培 (1A) 电流通过物体的横截面并存在 1 伏特 (1V) 电压时，物体的电导就是 1S（西门子）。
EIS（Electrochemical Impedance Spectroscopy，电化学阻抗谱）是一种广泛用于测量电导率的技术。
EIS 计算电导率的原理是基于复数阻抗法的，它通过测量物体的复数阻抗，计算出其电导率。
复数阻抗法的基本思想是将电化学系统看作是一个复数阻抗器，通过测量其复数阻抗，可以得到电化学反应的许多信息，如电导率、电容、电阻等。
EIS 测量电导率的步骤如下：
1.准备工作：首先需要准备一个 EIS 测量系统，包括电化学工作站、电极、参考电极等。
2.测量阻抗：将待测样品与电极相连，然后对电极施加一定频率的交流电压，测量电极的复数阻抗。
3.计算电导率：根据测量得到的复数阻抗，利用复数阻抗法计算出样品的电导率。
EIS 计算电导率的应用非常广泛，它不仅可以用来测量纯液体和固体的电导率，还可以用来测量电化学电池的性能、腐蚀速率等。
EIS
电路的等效阻抗：
Z R
1 1 j C d Rct
Z=
j
实部：
虚部：
消去整理得：
Rct , 0) 2 Rct 2
这是一个圆心为
( R
，半径为
的圆。
• ，ZReR
• 0，ZReR+Rct
半圆的顶点处：
R Rct 2
0
1 Cd Rct
R Rct / 2
PCd Rct 1
5.电荷传递和扩散过程混合控制的EIS
电极过程由电荷传递过程和扩散过程共同控制，电化学极 化和浓差极化同时存在时，则电化学系统的等效电路可简单表 示为：
Cd R
ZW
Rct
ZW
1 RW 1/ 2 CW 1/ 2
ZW
1/ 2
(1 j)
电路的阻抗：
电化学阻抗谱EIS
1.定义 2.表示方法
3.电解池等效电路图
4.电荷传递过程控制的EIS 5.电荷传递和扩散过程混合控制的EIS
电化学阻抗谱EIS
1.定义： 以小振幅的正弦波电势（或电流）为扰动信号， 使电极系统产生近似线性关系的响应，测量电极系统 在很宽频率范围的阻抗谱，以此来研究电极系统的方 法就是电化学阻抗法(AC Impedance），现称为电化 学阻抗谱。 2.表示方法： Nyquist 图 Bode图
Z R
1 jCd 1 Rct 1/ 2 (1 j )
Cd
R
ZW
Rct
实部：
虚部：
（1）低频极限。当0时，实部和虚部简化为：
消去，得：
Nyquist 图上扩散控制表现 为倾斜角/4（45）的直线。
eis电化学阻抗谱 测试方案
EIS电化学阻抗谱测试方案一、引言电化学阻抗谱（EIS）是一种用于研究电化学系统动力学、电荷传递及物质传递过程的电化学测试技术。
本测试方案旨在为进行EIS实验提供一个详细、规范的操作流程，以确保实验结果的准确性和可靠性。
二、实验设备与试剂1.电化学工作站：提供恒定电压或电流激励信号，并采集系统的响应信号。
2.电极：根据实验需求选择适当的电极，如玻碳电极、金属电极或修饰电极。
3.电解液：根据实验体系选择适当的电解液。
4.辅助电极和参比电极：用于构成完整的三电极体系。
5.恒温水浴：用于维持电解液温度恒定。
6.电阻、电容和电感：用于构建等效电路模型。
7.恒流源或恒压源：用于在测试过程中施加恒定的电流或电压。
8.信号发生器：用于产生正弦波信号。
9.计算机：用于控制电化学工作站和数据处理。
三、测试步骤1.准备电极和电解液：根据实验需要选择并准备电极，配置适当的电解液。
2.组装三电极体系：将工作电极、辅助电极和参比电极依次放入电解液中，构成完整的三电极体系。
3.连接设备：将电化学工作站、电极和计算机连接起来，确保设备正常工作。
4.校准：对电化学工作站进行校准，确保测试结果的准确性。
5.设定测试参数：在电化学工作站中设定测试所需的电压或电流范围、扫描速率、采样频率等参数。
6.进行EIS测试：根据实验要求，选择适当频率范围的交流信号施加到电极上，记录系统的响应信号。
7.数据采集与存储：电化学工作站实时采集响应信号，并将数据存储到计算机中。
8.终止测试：实验结束后，断开测试电路，取出电极和电解液。
9.数据处理与分析：利用电化学软件对采集到的数据进行处理和分析，提取阻抗谱数据，并建立等效电路模型进行拟合。
10.结果整理与报告撰写：整理实验数据和图表，撰写测试报告，并按照要求对结果进行解释和讨论。
四、数据处理与分析1.数据预处理：对采集到的原始数据进行滤波、平滑等处理，以消除噪声和异常值的影响。
2.等效电路模型的建立：根据实验系统的特点，选择合适的等效电路模型进行拟合。
电化学阻抗谱简介 (EIS)
如何测量得到EIS?
• 装置简图
Lock-in amplifier (EG&G, M5210).
• 相应的操作软件
Potentiostat (EG&G, M273)
EIS测量结果的表达形式
• Y = G()X G()为阻抗或者导纳，总称阻纳。它是一个随频率变化的矢 量，用变量为f或其角频率为的复变函数表示，可记为： G() ＝ G’() ＋jG’’() 若G为阻抗，则有Z() ＝ Z’() ＋jZ’’() 相位角＝arctg(-Z’’/Z’)
过程研究示例 3： Nyquist 图
Finite diffusion impedance
Warburg impedance
Jianbao Li Group, Electrochem. Commun.2006,8 ,946-950
在 CuInS2太阳电池中的应用
Background and experimental
电化学阻抗谱简介 (EIS)
内容概要
• 关于EIS方法
• 什么是EIS方法? • EIS测量有哪些特点? • 哪些体系适合进行EIS测定? • 如何测量得到EIS? • EIS测量结果的有哪些表达形式?
• IS在DSC和CIS电池中的应用举例
什么是EIS?
• EIS：Electrochemical Impedance Spectroscopy • 别名：交流阻抗(AC impedance) • 定义：是一种以小振幅的正弦波电位(或电流)
• Find out the energy positions of the involved deep acceptor state and deep hole trap by measuring the temperature dependence of the interface capacitance.
电化学阻抗谱EIS-高级电化学测量技术PPT
n 1 n ZQ cos j sin n n Y0 2 Y0 2 1
上面介绍的公式中的n实质上都是经验常数，缺乏确切的物 理意义，但可以把它们理解为在拟合真实体系的阻抗谱时对 电容所做的修正。
2.2.2 电荷传递和扩散过程混合控制的EIS 平板电极上的反应： 电极过程由电荷传递过程和扩散过程共同控制，电化学 极化和浓差极化同时存在时，则电化学系统的等效电路 可简单表示为：
24
常相位角元件 常相位角元件（Constant Phase Element, CPE）具有电 容性质，它的等效元件用Q表示，Q与频率无关，因而称 为常相位角元件。
Z CPE 1 j (Q)n
n 1 n ZQ cos j sin n n Y0 2 Y0 2 1
通常n在0.5和1之间。对于理想电极（表面平滑、均匀）， Q等于双层电容，n=1。n=1时，
阻抗测量技术
电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy， EIS） — 给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流正弦 电势波，测量交流电势与电流信号的比值（系统的阻抗）随正 弦波频率的变化，或者是阻抗的相位角随的变化。
8
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 波特图
Nyquist plot
log|Z|
高频区
低频区
/ deg
Bode plot
9
1.3 EIS的特点
1. 由于采用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法是一种“准稳态方法”。 2. 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，使得测量结果的数学处理简化。
电化学测量技术——CV、EIS
基本概念
正弦交流电
i I sin(t )
u U sin(t )
电阻：R，ohm
电容：C，F
电感：L，H
直流电 电阻：R 电容：隔 电感：通
交流电 电阻：R 电容：阻 电感：阻
欧姆定律：
R U /I
基本概念
复杂元件阻抗
RC串联电路: Z R j 1 C
Z
R
2
1 (C ) 2
1 (RC)2 C
RC并联电路:Y 1 jC R
Z
1 Y
1
R jRC
1
R (RC)2
j
R2C 1 (RC)2
可得 : Z '2 RZ' Z "2 0
即: (Z ' R )2 Z "2 ( R )2
Z
Nyquist图 Argand图 Sluysters图
若以logw为横坐标，分别以log|Z|和相位角j为纵坐标作图，称为Bode图
基本电子元件阻抗
电阻 :
ZR
R
Z
R，' Z
" R
0
电容 : ZC
j
(
1
C
，) Z
' C
0，Z
" C
( 1 )
C
电感 : ZL
jL，Z
' L
又，u U sin(t ) 有：U LI
则感抗为：XL U / I L 相位差为： 同理有容抗为： Xc 1/C
eis算介电常数
eis算介电常数
EIS（Electrochemical Impedance Spectroscopy）是一种通过测量电化学系统的阻抗来研究其电学特性的方法。
在EIS 实验中，电化学系统被施加一个频率范围广泛的交流电信号，并测量对应的电流响应。
通过分析阻抗谱，可以了解系统的电学性质和反应动力学。
介电常数是描述电介质材料在电场中极化行为的物理量，其值取决于材料的分子结构和分子间的相互作用。
在EIS 实验中，介电常数可以通过测量电化学系统的阻抗谱来计算。
通常，介电常数可以通过以下公式计算：
ε=C0d(C0为电容，d为两电极之间的距离)。
通过EIS 技术，可以测量系统的电容和电极距离，从而计算出介电常数。
因此，可以说EIS技术可以用来测量材料的介电常数，从而了解其分子结构和分子间的相互作用。
eis 分析
EIS（电化学阻抗谱分析）首先以DSSC为例，其工作原理及结构如图1所示：图1 DSSC结构及工作原理DSSC中的电子过程分以下几个部分：图2为上述过程的图解图2. DSSC电子过程1.EIS 工作基本原理电化学阻抗谱方法是一种以小振幅正弦波电位(或电流)为扰动信号的电化学测量方法。
对于一个稳定的线性系统M,如以一个角频率为w的正弦波电信号(电压或电流)x为激励信号输入该系统,相应的从该系统输出一个角频率为w的正弦波电信号(电流或电压)Y,Y即是响应信号。
Y与x之间的关系为:Y= G(w)·X式中G为频率的函数,即频响函数,它反映系统M的频响特性,由M的内部结构所决定。
因而可以从G随x与Y的变化情况获得线性系统内部结构的有用信息。
如染料敏化太阳能电池的内部电子传输过程可以看作一个黑箱模型M, 对M进行动态处理如图3所示图3.阻抗测试模型如果扰动信号X为正弦波电流信号,而Y为正弦波电压信号,则称G为系统M的阻抗。
对于阻抗一般用z来表示,阻抗是一个随频率变化的矢量,用变量为角频率w的复变函数表示。
即(用Z'表示实部,Z''表示虚部)阻抗的表示有两种方式:(1)奈奎斯特(Nyquist)图:阻抗是一个矢量,用其实部为横轴,虚部为纵轴来绘图,以表示体系频一谱特征的阻抗平面图,称之为奈奎斯特(Nyquist)图。
(2)波特(Bode)图：另一种表示阻抗频谱特征的是以logf为横坐标,分别以logZ和相位角为纵坐标绘成两条曲线,这种图为波特(Bode)图。
这两种图都能反映出被测系统的阻抗频谱特征,从这两种图中就可以对系统进行阻抗分析。
2．拟合原理和表征利用zview拟合可以直接获得样品的传输电阻(R t)、界面电阻（R ct）、界面电容C ch等等效电路元件信息,从而为研究DSC内部的电子传输特性提供依据图4.DSSC的传输线模型对于理想DSC来说,R t与R ct主要决定电池在稳态下的工作输出。
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阻抗Z: Impedance 导纳Y：Admittance Y=1/Z 阻纳G: Immittance 在交流极化下，它们均为一个矢量，可以用 一个复数来表示。
Z = Z'-jZ'' Z = Z '2 +Z ' '2
2
2
tgφ Z =
Z '' Z'
(和电工中不同 ， Z=Z’ +jZ’ ’ )
Y = Y '-jY' ' Y = Y ' 2 +Y ' '2
常相位角 Y 0,n 元件CPE W O T Y0 Y 0,B Y 0,B
Y0 ( j ω ) coth[B ( j ω ) ] Y0 ( j ω )2 tanh[B ( j ω )2 ]
1 1
1 2
1 2
其导纳和阻抗为：
nπ nπ n Y = Y0 • ω cos + j sin 2 2 1 nπ nπ −n Z = • ω cos − j sin Y0 2 2 0 < n < 1, φ = nπ 2
The Nyquist (Complex Impedance
Plane) Plot of a CPE is a simple one. For a solitary CPE (symbolized here byQ ), it is just a straight line which makes an angle of (n*90° ) with the x-axis as shown in pink in the Figure. The plot for a resistor (symbolized byR) in parallel with a CPE is shown in green. In this case the center of the semicircle is depressed by an angle of (1-n)*90° One physical explanation put forth for CPE behavior is electrode roughness. For a rough, fractal, surface, the fractal dimension (D) of the surf ace is between 2 and 3: Translated, this means that the surface fills between 2 dimensions (i.e., it's absolutely flat) and 3 dimensions i (.e., the surface fills three dimensions, branching every -which-way through space, and resembling a porous cube.) It has been shown that for these electrodes (Mulder, et. al., J. Electroanal. Chem., 285, 103-115 (1990)), the interfacial impedance (electron transfer or double layer capacitance) is modified by an exponent, n = 1/(D-1). For a smooth surface the fractal dimension (D) is 2.0 and n=1: The impedance is unchanged. For a highly contorted surface (D=3), and n=0.5.
20 ( phase ) i 40
0
60
120 real i
180
240 300
60 0.1 1 10 100 freq i
4 5 1000 1 101 10
The Bode plot for a Warburg impedance ( W ) in series with a charge transfer resistance ( RCT ) is shown on the right. At the lower frequencies where the impedance of the Warburg dominates, the slope of the |Z| Bode plot is minus 1/2. ( Not the familiar -1 slope associated with a simple RC circuit! ) In this region, the phase angle is 45°. At the higher frequencies, the charge transfer resistance dominates and the phase angle becomes 0°. The plot shown to the left, is unique to the Warburg impedance. Both the real and imaginary parts of Z are plotted vs. 1/ω 1/2 . The lines should be straight and parallel: The slope of both lines should be equal to σ, the Warburg constant. The line for the imaginary component (shown in red) should intersect the Z axis at zero, while the intercept for the real component (shown in green) is RCT.
-ImZ ω
|Z|
ω=∞
0Hale Waihona Puke φω=0RealZ
对电极系统的扰动停止后， 电极系统能否回复到原先的状态， 往往与电极系统的内部结构亦即电极过程的动力学特征有关。 （可逆性 ）
！
在对电极系统进行阻抗测量时， 阻抗的3 个基本条件关 不能自然在得到满足， 这是电化学阻抗谱的一个特点。 基于这个特点， 我们在进行电化学阻抗谱的测量时 ， 必须尽可能满足这 3 个条件， 并在阻抗数据的分析中注 意阻抗数据的可靠性问题。
tg φY =
阻抗的相角和导纳的相角相等
Y '' Y'
复数阻抗的图形表示方法：
1 波特（Bode ）图： 用两幅曲线来表达阻纳频谱特 征。 着重表示阻纳的模与幅角随频 率变化的情况。 2 复数平面（Nyquist ）图： 着重表示矢量的大小与方向或 实部与虚部之间的关系。（各 点的频率可以在曲线上注明）
Bode Plot for a Warburg Impedance
1000
Nyquist Plot for a Warburg Impedance
magi 1 0 0
300 240
0.1 1 10 100 freq 0 i 41 1 0 5 1000 1 10
10
( imag )
180 i 120 60 0
Diffusion（ 扩散控制） Diffusion can create an impedance known as the Warburg impedance. This impedance depends on the frequency of the potential perturb ation. At high frequencies the Warburg impedance is small since diffusing reactants don't have to move very far. At low frequencies the reactants have to diffuse farther, thereby increasing the Warburg impedance. The equation for the "infinite" Warburg impedance is: -1 (0-21) Z = σ (ω) 2 (1 - j) On a Nyquist plot the infinite Warburg impedance appears as a diagonal line with a slope of 0.5. On a Bode plot, the Warburg impedance exhibits a phase shift of 45° . In equation 0 -21, is the Warburg coefficient defined as: RT 1 σ = 2 2 ( *1 + * ) (0-22) C R √ DR n F A √ 2 C O √ DO In which, ω=radial frequency；D O=diffusion coefficient of the oxidant D R=diffusion coefficient of the reductant ；A=surface area of the electrode n=number of electrons transferred ；C*=bulk concentration of the diffusing species (moles/cm3)
等效元件
等效元件的导纳、阻抗和辐角
元件名称 等效电阻 等效电容 等效电感 参 数 R C L 导纳 1/R j ωC 1/j ωL
nπ nπ Y0ω n (cos + j sin ) 2 2 Y0 ( ω )2 (1 + j ) 2