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电化学交流阻抗测量原理
•• 直流电阻：可看做频率为0时的交流阻抗 •• 交流阻抗测量条件：因果性，线性，稳定性，有限性。 •正弦波电位扰动幅度：通常5 ~ 10mV ••交流电压（Voltage）: Et = E0sin(ωt) ••交流电流（Current）: It = I0sin(ωt + ɸ) ••交流PPT
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EIS、IMPS、IMVS原理
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交流阻抗测量方法
1、开路电位：交流电压扰动法，交流电流扰动法 2、恒电位：交流电压扰动法 3、恒电流：交流电流扰动法 4、恒电流：交流电压扰动法 5、时间参数变化，一系列测量交流阻抗 6、恒电位参数变化，一系列测量交流阻抗 7、恒电流参数变化，一系列测量交流阻抗 8、RMUX多通道变化，一系列测量交流阻抗（4/10V）
• 根据已建立的等效电路，设置各个元件的参数值。
• 应用等效电路拟合软件，自动调整各个元件的参数 值，使得等效电路的EIS谱图与测量的EIS谱图逐渐 逼近，直到满足拟合软件所控制的误差条件
• 为止。
• • 可用拟合软件查看在频率坐标范围内的拟合误差 分布图、各个元件的影响频谱图、预测阻抗等效
• 电路在更低频率或更高频率范围内的变化趋势。
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交流阻抗测量方法
9、PAD4多通道同时测量交流阻抗（4V/输入阻抗200K） 10、电池循环充、放电的同时测量交流阻抗 11、固定单一频率系列测量交流阻抗，可实现交流阻抗（或电容）
对电位变化、电流变化、时间变化等一 系列测量。 12、控制光强度的同时测量太阳能电池的交流阻抗 13、控制太阳能电池短路放电的同时测量交流阻抗 14、涂层评价AC--DC--AC系列测量交流阻抗 15、数据存储、数据列表、图形输出至Word剪切板、图片打印
•
WE Cdl
Ru
Ref
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电化学工作站原理图
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四电极连接示意图
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二电极连接示意图
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三电极连接示意图
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四电极连接示意图
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电化学交流阻抗谱图解析
• 根据测量得到的EIS谱图，确定等效电路。
• Z = (1/Q) • (jω)-α;
Zman表示法
•
Z = A(jω)-ɑ;
Gamry表示法
• 其中：ω = 2πf，ω0 = 2π×1000 • α=0时电阻；ɑ=1时电容；ɑ=0.5时Warburg阻
抗
•
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等效电路元件频率响应
•
ɑ=-1时电感；
• 扩散阻抗（Warburg）
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电化学交流阻抗测量原理
• 交流导纳（Yω）: Y = It / Et • 交流阻抗矢量（或复数）表示法：
•
Ztotal = Zreal + Zimag
•
（实部） （虚部）
• • 阻抗模值：|Z|2 = Zreal2 + Zimag2 = E0 / I0 • • 相位角： tanɸ = - Zimag / Zreal • 其中：ω = 2πf，f为交流电信号频率
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•
Zw = W • (jω)-1/2 ;
•
Zw = W-1 • (jω)-1/2 ;
•
Zw = W • (jω)-1/2 ;
•
Thales表示法 Zman表示法 Gamry表示法
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• • 电化学交流阻抗等效电路模型 • 用电子元件构建电路模型，通过拟合计算元件
参数值，使得该电路模型的交流阻抗谱图与实 际测量的交流阻抗谱图一致 • • 交流阻抗谱图拟合得到的等效电路不是唯一的， 必须针对实际的被测量体系进行合理的物理过 程解释，对等效电路中的每个元件说明其物理 意义。
•
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• • ZHIT转换： • 将相位对频率变化的曲线经过ZHIT转换后 • 得到阻抗模值随频率的变化曲线。 • K-K转换（Kramers-Kronig）： • 交流阻抗谱图实部和虚部的关系。
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电极/溶液界面的等效电路
• 未补偿的溶液电阻（Ru） • Ru = L/(σ•A)； σ--为电导率，A--电极面积 • L--为工作电极与参比电极之间的距离 • • 双电层电容（Cdl）: 电极和溶液界面 之间的电容
•
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交流阻抗测量原理
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等效电路元件频率响应
• 电阻（）：Z = R； ɸ = 0
• 电容（C）： Z = 1/jωC; ɸ = -90
• 电感（L）： Z = jωL; ɸ = 90
• 常相位角元件（CPE）
•
Z = (1/ω0•V) • (jω/ω0)-α; Thales表示法
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常用的阻抗谱图
• • BODE图： • 阻抗模值的对数log|Z|和相位角对相同的横坐标频
率的对数logf作图。 • • Nyquist图（阻抗复数平面图）： • 阻抗虚部为纵坐标，阻抗实部为横坐标作图。
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SIM交流阻抗拟合特点：
• • 从交流阻抗BODE图曲线上直接选择频率数据点， 然后
• 选择阻抗元件类型，软件自动提示该元件的初始 值。
• • 等效电路可分成多个部分，然后进行串/并联连 接。
• • 每个部分等效电路可实现所有阻抗元件的串/并 联连接
• • 等效拟合时选取数据点方式：自动选点、手动选 点。
• • 等效电路拟合后可查看每个元件的频率响应分布
图。
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EIS、IMVS、IMPS对比
电化学交流阻抗测量原理
•• 阻抗基本定义：
• 对于一个稳定的线性系统M，如果以一个角频率为ω的正弦波电信
• 号 X（电压或电流）输入该系统，相应的从该系统输出一个角频
• 率为ω 的正弦波电信号Y（电流或电压）, 此时 线性系统的频响
• 函数 G=Y/X就是阻抗或导纳。
•
X
Y
G=Y/X
M
•• 欧姆定律：E(电压)= I(电流)× Z(阻抗)