電化學(xué)阻抗精品課件

1、電化學(xué)阻抗第1頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四電化學(xué)阻抗譜方法(EIS)對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的線性系統(tǒng)M，如以一個(gè)角頻率為的正弦波電信號(hào)X(電壓或電流)輸入該系統(tǒng)，相應(yīng)的從該系統(tǒng)輸出一個(gè)角頻率為的正弦波電信號(hào)Y(電流或電壓)，此時(shí)電極系統(tǒng)的頻響函數(shù)G就是電化學(xué)阻抗。在一系列不同角頻率下測(cè)得的一組這種頻響函數(shù)值就是電極系統(tǒng)的電化學(xué)阻抗譜。若在頻響函數(shù)中只討論阻抗與導(dǎo)納，則G總稱為阻納。一般表達(dá)式為：曹楚南，張鑒清,電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論,科學(xué)出版社，2002黑箱動(dòng)態(tài)系統(tǒng)研究方法第2頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四電化學(xué)阻抗譜的特點(diǎn)1.一種以小振幅的正弦波電位

2、(或電流)為擾動(dòng)信號(hào)的電化學(xué)測(cè)量方法:(1)避免對(duì)體系產(chǎn)生大的影響(2)使擾動(dòng)與體系的響應(yīng)之間近似呈線性關(guān)系2.一種頻率域的測(cè)量方法: 以測(cè)量得到的頻率范圍很寬的阻抗譜來研究電極系統(tǒng)，速度快的子過程出現(xiàn)在高頻區(qū),速度慢的子過程出現(xiàn)在低頻區(qū),可判斷出含幾個(gè)子過程，討論動(dòng)力學(xué)特征。第3頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四因果性條件:測(cè)定的響應(yīng)信號(hào)是由輸入的擾動(dòng)信號(hào)引起的；線性條件:對(duì)體系的擾動(dòng)與體系的響應(yīng)成線性關(guān)系；穩(wěn)定性條件:電極體系在測(cè)量過程中是穩(wěn)定的,當(dāng)擾動(dòng)停止后，體系將回復(fù)到原先的狀態(tài)；有限性條件：在整個(gè)頻率范圍內(nèi)所測(cè)定的阻抗或?qū)Ъ{值是有限的.EIS測(cè)量的前提條件曹楚

3、南，電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論,科學(xué)出版社，2002馬厚義,山東大學(xué)學(xué)報(bào),Vol.35, No.1,2000第4頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四阻納的復(fù)平面(Nyquist)圖 復(fù)合元件(RC)的阻抗復(fù)平面圖 (RC)的導(dǎo)納復(fù)平面圖張鑒清,電化學(xué)阻抗譜,講義，2005第5頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四阻抗波特(Bode)圖復(fù)合元件(RC)阻抗波特圖張鑒清,電化學(xué)阻抗譜,講義，2005第6頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四數(shù)據(jù)處理的目的：1.根據(jù)測(cè)量得到的EIS譜圖, 確定EIS的等效電路或數(shù)學(xué)模型;2.根據(jù)已建立的合理的數(shù)學(xué)模

4、型或等效電路，確定數(shù)學(xué)模型中有關(guān)參數(shù)或等效電路中有關(guān)元件的參數(shù)值.數(shù)據(jù)處理的途徑：1.依據(jù)已知等效電路模型或數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)處理途徑 2.從阻納數(shù)據(jù)求等效電路的數(shù)據(jù)處理途徑數(shù)據(jù)處理的目的與途徑 第7頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四電路描述碼(CDC)電路描述碼 (Circuit Description Code, 簡(jiǎn)寫為CDC)。規(guī)則如下5條： (1)RLC或CLR (2)（RLC） (3)奇數(shù)級(jí)括號(hào)表示并聯(lián)組成的復(fù)合元件，偶數(shù)級(jí)括號(hào)表示串聯(lián)組成的復(fù)合元件。 曹楚南，張鑒清,電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論,科學(xué)出版社，2002第8頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星

5、期四電路描述碼CDC(4)對(duì)于復(fù)雜的電路，分解成2個(gè)或2個(gè)以上互相串聯(lián)或并聯(lián)的“盒”.(5)若在右括號(hào)后緊接著有一個(gè)左括號(hào)與之相鄰，則前后兩括號(hào)中的復(fù)合元件級(jí)別相同。這兩個(gè)括號(hào)中的復(fù)合元件是并聯(lián)還是串聯(lián)，決定于二者是放在奇數(shù)級(jí)還是偶數(shù)級(jí)的括號(hào)中。 例如：R(QR(RL)(RL)曹楚南，張鑒清,電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論,科學(xué)出版社，2002第9頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四復(fù)合元件的CDC示例按規(guī)則(1)將這一等效電路表示為:R CE-1按規(guī)則(),CE-1可以表示為(Q CE-2).因此整個(gè)電路可進(jìn)一步表示為：R(Q CE-2)將復(fù)合元件CE-2表示成:(Q(W CE-3)

6、整個(gè)等效電路就表示成： R(Q(W CE-3)將簡(jiǎn)單的復(fù)合元件CE-3表示出來。應(yīng)表示為(RC),于是電路可以用如下的CDC表示：R(Q(W(RC)第10頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四計(jì)算等效電路阻納出發(fā)點(diǎn)是下面三條：(1)串聯(lián)元件,計(jì)算阻抗，各元件阻抗相加； 并聯(lián)元件,計(jì)算導(dǎo)納，各元件導(dǎo)納相加。(2)阻抗和導(dǎo)納之間互相變換的公式: Gi-1 = Gi/(Gi2 + Gi”2 ) - j Gi”/(Gi2 + Gi”2 ) (3)逐級(jí)阻納的計(jì)算公式是: Gi-1 = G*i-1 + G-1i曹楚南，張鑒清,電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論,科學(xué)出版社，2002第11頁，共27頁，2

7、022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四1.計(jì)算從最高級(jí)開始。最高級(jí)為級(jí)，是奇數(shù)，應(yīng)計(jì)算其導(dǎo)納： G3 = 1 /R4 +jC5 2.計(jì)算第級(jí)復(fù)合元件的阻抗 G2 = Zw3 + G3-13.計(jì)算第級(jí)復(fù)合元件的導(dǎo)納 G1 = YQ2 + G2-14.計(jì)算第級(jí)即整個(gè)電路的阻抗 G0 = R1 + G1-1等效電路阻納計(jì)算示例曹楚南，張鑒清,電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論,科學(xué)出版社，2002第12頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四R(Q1R1)(Q2R2)R(Q1(R1(Q2R2)兩個(gè)容抗弧的阻抗譜的兩種等效電路模型張鑒清,電化學(xué)阻抗譜,講義，2005第13頁，共27頁，2022年，

8、5月20日，19點(diǎn)10分，星期四第14頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四第15頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四第16頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四第17頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四第18頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四第19頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四第20頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四第21頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四R(Q1R1)(Q2R2)R(Q1(R1(Q2R2)近似

9、簡(jiǎn)化處理張鑒清,電化學(xué)阻抗譜,講義，2005高頻端的近似:低頻端的近似:第22頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四含鋅Ni(OH)2堿性電池的EIS譜圖H.Chen,JQ Zhang, J Solid State Electrochem,2005 9:421-4280%的DOD(放電深度)時(shí)不同Zn含量的Zn-Ni(OH)2堿性充電電池的EIS譜圖第23頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四H.Chen,JQ Zhang, J Solid State Electrochem,2005 9:421-428等效電路圖物理意義：Rs:從參比電極到工作電極的溶

10、液電阻CPE:與雙電層電容關(guān)聯(lián)的常相位角元件Rt:電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻Wo:固相擴(kuò)散的沃伯格阻抗Ni電極的等效電路圖第24頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四擬合結(jié)果Rt(電荷轉(zhuǎn)移電阻)擬合結(jié)果H.Chen,JQ Zhang, J Solid State Electrochem,2005 9:421-428結(jié)論：1.同一放電深度，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rt值隨著Zn含量的增加，先減小后增大,(0%DOD除外)；2.同一Zn含量的樣品，Rt值隨著DOD的增大而增大，歸因于NiOOH的還原和鎳電極的電化學(xué)極化。第25頁，共27頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)10分，星期四參考文獻(xiàn)1.曹楚南，張鑒清，電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論，科學(xué)出版社，20022.張鑒清,電化學(xué)阻抗譜,講義,20053.馬厚義,電化學(xué)阻抗譜測(cè)試中的穩(wěn)定性和線性問題,山東大學(xué)學(xué)報(bào),Vol.35, No.1,200