電化學阻抗譜

電化學阻抗譜即通過測量阻抗隨正弦波頻率的變化，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。

電化學阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy,簡稱EIS）：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號的比值（此比值即為系統的阻抗）隨正弦波頻率ω的變化，或者是阻抗的相位角Φ隨ω的變化。

基本介紹

• 中文名：電化學阻抗譜
• 外文名：Electrochemical Impedance Spectroscopy
• 簡稱：EIS
• 用途：研究電極材料、固體電解質等

定義

電化學阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy,簡稱EIS）：給電化學系統施加一個頻率不同的小振幅的交流信號，測量交流信號電壓與電流的比值（此比值即為系統的阻抗）隨正弦波頻率ω的變化，或者是阻抗的相位角Φ隨ω的變化。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。

阻抗譜Bode圖

阻抗譜Nyquist圖

研究思路

將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）等基本元件按串並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。

測定方法

給黑箱（電化學系統）輸入一個擾動函式X，它就會輸出一個回響信號Y。用來描述擾動信號和回響信號之間關係的函式，稱為傳輸函式。若系統內部結構是線性的穩定結構，則輸出信號就是擾動信號的線性函式。

如果f是角頻率為ω的正弦波電流信號，則g即為角頻率也是ω的正弦電勢信號。此時將g/f稱為系統的阻抗，用Z表示；而將f/g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係，Z=1/Y。二者關係與電阻和電導相似。

測量條件

因果性條件：輸出的回響信號只是由輸入的擾動信號引起的。

線性條件：輸出的回響信號與輸入的擾動信號之間存線上性關係。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係，當採用小幅度正弦波電勢信號對系統擾動，電勢和電流之間可以近似看做呈線性關係。

穩定性關係：擾動不會引起系統內部結構發生變化，當擾動停止後，系統能夠恢復到原先的狀態，可逆反應容易滿足穩定性條件，不可逆電極過程，只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，系統也能夠恢復到離原先狀態不遠的狀態，可以近似認為滿足穩定性條件。

特點

1，由於採用小幅度的正弦電勢信號對系統進行微擾，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，即使擾動信號長時間作用於電極，也不會導致極化現象的積累性發展和電極表面狀態的積累性變化。因此EIS法是一種“準穩態方法”。

2，由於電勢和電流間存在著線性關係，測量過程中電極處於準穩態，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。