电化学3-交流阻抗

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1、第三部分电化学分析技术（1）化学电源与测试（2）伏安分析方法（3）交流阻抗分析方法ACimpedancespectraof(a)bareLiFePOelectrode;(b)10wt%4PPy-LiFePOelectrode.Fittinglinesshowcalculatedresultsfrom4equivalentcircuit.ZrO:6%molYO在温度240oC)223导纳图、阻抗谱图及Bauele等效电路Bauele等效电路RRgigbReCgiCgbCe交流阻抗的基本原理电化学阻抗谱（简写为EI

2、S，ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy），早期电化学文献中称为交流阻抗（ACImpedance）。阻抗测量原本是电学中研究线性电路网络频率响应特性的一种方法，引用到研究电极过程，成了电化学研究中的一种实验方法。电化学阻抗谱方法是一种以小振幅的正弦波电位（或电流）为扰动信号的电化学测量方法。由于以小振幅的电信号对体系扰动，一方面可避免对体系产生大的影响，另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系，这就使测量结果的数学处理变得简单。同时，电化学阻抗谱方法又是一种频率域的测

3、量方法，它以测量得到的频率范围很宽的阻抗谱来研究电极系统，因而能比其他常规的电化学方法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息。电化学阻抗谱的基本条件因果性条件：当用一个正弦波的电位信号对电极系统进行扰动，因果性条件要求电极系统只对该电位信号进行响应。线性条件：当一个状态变量的变化足够小，才能将电极过程速度的变化与该状态变量的关系作线性近似处理。稳定性条件：对电极系统的扰动停止后，电极系统能回复到原先的状态，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。因果性条件当用一个正弦波的电位信号对电极系统进行扰

4、动，因果性条件要求电极系统只对该电位信号进行响应。这就要求控制电极过程的电极电位以及其它状态变量都必须随扰动信号——正弦波的电位波动而变化。控制电极过程的状态变量则往往不止一个，有些状态变量对环境中其他因素的变化又比较敏感，要满足因果性条件必须在阻抗测量中十分注意对环境因素的控制。线性条件由于电极过程的动力学特点，电极过程速度随状态变量的变化与状态变量之间一般都不服从线性规律。只有当一个状态变量的变化足够小，才能将电极过程速度的变化与该状态变量的关系作线性近似处理。故为了使在电极系统的阻抗测量中线性条件得到满足

5、，对体系的正弦波电位或正弦波电流扰动信号的幅值必须很小，使得电极过程速度随每个状态变量的变化都近似地符合线性规律，才能保证电极系统对扰动的响应信号与扰动信号之间近似地符合线性条件。总的说来，阳电化学阻抗谱的线性条件只能被近似极超地满足。我们把近似地符合线性条件电势时扰动信号振幅的取值范围叫做线性范围。每个电极过程的线性范围是阴极电流阳极电流不同的，它与电极过程的控制参量阴极有关。超电势稳定性条件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。一般而言，

6、对于一个可逆电极过程，稳定性条件比较容易满足。电极系统在受到扰动时，其内部结构所发生的变化不大，可以在受到小振幅的扰动之后又回到原先的状态。在对不可逆电极过程进行测量时，要近似地满足稳定性条件也往往是很困难的。这种情况在使用频率域的方法进行阻抗测量时尤为严重，因为用频率域的方法测量阻抗的低频数据往往很费时间，有时可长达几小时。这么长的时间中，电极系统的表面状态就可能发生较大的变化。交流信号的表示三角函数表示UUsin(wt)0IIsin(wt)0复数表示j(wt)UUe0j(wt)IIe

7、0不同电子元件对交流信号的响应(1)电阻(R)阻抗用Z表示。j(wt)j(wt)UUe,IIe00定义，交流电压比交流电流，比值U即阻抗。纯电阻阻抗不随频率ZRR变化；I对电阻，相角，频率均不变，仅幅(2)电容(C)值改变。是一个实数；j(wt)dUj(wt)电容，加交流电压，电流等于一个UUe,ICCUje00dt常数乘以所加电压随时间的导数。频率无穷大时，阻抗为无限小；无U1Z穷小，无穷大CIjC电感，加一个变化的电流信号，两(3)感抗(L)端产生感应电压。与电流随时间

8、的变化率成正比。发电机基本原理。ULdILIjej(wt)与电容类似，虚部，且与频率有关0dt系。与频率变化趋势相同。UZjLLI串联、并联电路的复阻抗1、串联电路UUU,电流处处相同12ZZZ12Z1Z22、并联电路Z1III,两端电压相同12111ZZZ12Z2例111ZRRjjCCRC1ZR,ZReImC108Z第1象限Im6Im