献给被电化学阻抗谱（EIS）困扰的你.pdfVIP

献给被电化学阻抗谱（EIS）困扰的你

撰文：圆的方块

编辑：卢帮安

所属专栏：电化学天地

这篇文章会介绍一些电化学阻抗谱（Electrochemical

ImpedanceSpectroscopy，EIS）的基础知识。

1.核心逻辑

一个电化学反应和一个电路，有什么共同点呢？二者，

外加一个电压信号，就会产生一个电流信号。

因为同样具备这种“输入-输出”关系，我们可以把电化学反应和

电路联系起来。

一个电路中，直流电受到阻碍，我们称之为电阻。将这个概念延

伸到交流电中，我们就可以得到阻抗（impedance，Z）。

阻抗：电路中的交流电所遇到的阻碍。

阻抗（Z）与电压（E）,电流（I）的关系，在形式上就是电阻的

欧姆定律：

因为交流电具有频率，因此，阻抗也会随着频率而改变。不同频

率下，阻抗会更接近于某种器件，如电阻或电容等。

综合以上两点，得到EIS技术的核心：整个电化学反应可以表示为

一个阻抗。

输入细微扰动，输出不同频率下的阻抗信息。

2.基础概念与原理

•EIS输入输出信号

EIS的测试中，输入信号往往是小幅度正弦交流信号，进而测量系

统的阻抗，从而进行等效电路的分析。阻抗的输入信号有三个特征，

振幅，频率。输出信号也是。

•EIS谱图特征

阻抗是一个复数，可表示为实部Z和虚部Z的两部分，

ReIm

因此，所得到的EIS谱图也是以这两部分为x，y轴。

举两个最简单的例子：当电路中仅存在电容C时，EIS图谱是一条

重合于Y轴的直线，即只有虚部的阻抗Z。

当电阻R与电容C串联时，阻抗的实部Z有了数值，得到一个

Re

垂直于X轴的直线，与X轴交于R。

然而，文献中很多EIS结果是“半圆+尾巴”的曲线，如下图所示，

那么，这种EIS结果是如何造成的呢？这可通过电化学反应的基本

模型来进行解释。

•典型电化学反应模型与其等效电路

典型的电化学过程包含一些基本构成，比如双电层和法拉第反应

等，这些可有下图模型近似表示：

与之对应，该过程的总阻抗可以抽象为三种电学元件，分别为：

内阻R，双电层电容C，法拉第阻抗Z

Ωdf

其中，

内阻：电解液和电极的内阻。

双电层电容：源自电解液中的非活性离子，无化学反应发生，仅

改变电荷分布。

法拉第阻抗：源自电解液中的活性离子，有氧化还原反应发生，

有电荷转移。

抽象的电路图如下：

法拉第过程可以进一步分成两个过程：

电荷转移（chargetransfer）和物质转移（masstransfer）

这两个过程可分别抽象为：

电荷转移电阻（R）和Warburg阻抗（Z）

ctw

对于如上电路，所对应阻抗的实部Z和虚部Z可由如下公式表

ReIm

示：

其中，σ是一个与物质转移有关的系数。

这个公式太复杂，作为基础，我们只考虑两个极端的趋势。

（1）当ω趋近于0时（低频），Z和Z二