仪器导线和施加扰动信号幅值对EIS测量结果的影响

准确的EIS测量

Gamry电化学仪器以准确测量EIS著称。每台电化学仪器都有准确的阻抗精度图(ACP)。 ACP阐述了在给定阻抗和频率条件下的阻抗精度。

为什么制作ACP??

两个主要原因:

  1. 了解在典型条件下EIS测量仪器的精度范围和限制因素。
  2. 了解仪器导线长度和施加信号幅度对阻抗精度的影响

制作ACP时,首先对开路和短路条件下进行阻抗测量。开路测量描述是指施加扰动振幅下整个电化学系统和仪器导线的绝对电容测量最低极限。超出测量极限的阻抗数据,不管数据多么漂亮,都应该被抛弃。原因是测量的结果来自测量的电子系统与线路,不是样品。好的绝缘涂层EIS结果可以作为一个实例来解释这个现象。

为了保持线性响应,恒电压EIS测量的施加信号幅度通常在10 mV rms或更小。为了使EIS结果有效,阻抗测量系统应当具备线性,稳定性和因果性。线性,稳定性和因果性可以使用Gamry内置的Kramers-Kronig函数进行评估。恒电流实验有点不同,只要电压响应保持线性,即施加电流振幅足够大,即满足Kramers-Kronig评估。

Interface 1000的ACPs

ACPs仅在限制条件下有效。例如,如下图所示的Interface 1000的ACP,从3 GΩ到小于1mΩ的阻抗可以保证高于99%的测量精度。较低的阻抗极限适合于能量存储和转换装置,而较高的阻抗极限适合耐腐蚀材料和良好涂覆的样品。对于良好涂覆的样品,电容极限也是有帮助的。使用更长的仪器导线,由于添加R和C而导致带宽降低。

Interface 1000 Accuracy Controur Plot

图1. 60 cm仪器导线和施加信号幅值≤10 mV, INTERFACE  1000的阻抗精度图。

Gamry仪器的标准导线长度是60厘米,但也有1.5,3和10米的。 由于开路测量是确定仪器测量电容的极限,因此还测量了3和10 m长的开路阻抗。 对没有电极导线的仪器开路也进行了阻抗测量, 如图2所示。最大施加频率随着仪器导线长度的增加而降低。 随着仪器导线长度增加,ACP的电容区域略微减小。 没有导线的仪器阻抗线位于中间。 还要注意,由于导线的R增加,最大阻抗极限由于电缆长度的增加而减小。

OLC Diff cables

图2.施加信号为10mV和不同仪器导线长度的阻抗图。 橙色曲线 - 无电缆;
黑色曲线 - 60厘米; 蓝色曲线-3米; 红色曲线 - 10米。

改变施加信号幅度也对ACP有影响。 幅度的增加提高了信噪比,电容极限更高了,如图3所示。使用1、10、100和707 mV rms的信号幅度进行四个开路阻抗测量。 使用60cm电池电缆。 虽较大振幅的测量效果会更好,但实际上,较大的振幅可能使EIS的线性无效。

OLD diff amplitudes2

图3.使用具有不同施加信号幅度的60 cm电极导线的阻抗测量结果。 蓝色钻石 - 1 mV rms; 红色方块 - 10 mV rms; 绿点 - 100 mV rms; 紫色三角形 - 707 mV rms。

图4给出了典型的动电位电化学扫描曲线。响应在开路电位附件是线性的,但远离开路会产生非线性响应。

Potentiodynamic 430SS

图4. 不锈钢430 SS在1M硫酸中的动电位电化学扫描曲线。 扫描速度为0.167mV / s。

一般说来,EIS实验中,需要使用小幅度的施加信号,例如10 mV。从图3所示的ACP可以看出,当使用较大的施加信号时,电容极限增加,但有损坏样品的风险。

第二个重要区域是较低的阻抗限制和带宽。

较低的阻抗测量极限通常由仪器的最大施加电流与仪器的设计来确定。载流引线与感测引线的分离增加了阻抗测量的带宽。请注意,1.5 m长仪器电极导线低Z电缆已分离载流和感测引线,从而增加带宽,如图5所示。这里测量的曲线是未校准的0.5 mΩ分流器,其实际带宽未知。图5给出了增加的仪器电极长度对带宽的影响。

 

LowZ diff cables

图5. ACP显示使用100 mA rms的信号幅度的接口1000上三种不同电缆的阻抗下限。
蓝色 - 60厘米,绿色 - 1.5米,紫色 - 低Z电缆。

总结

许多仪器制造商有时不公布ACP, 或者不提供真实的ACP测量条件来制作ACP。购置仪器时,要确定厂商提供的ACP制作条件,这样更好满足试验研究的条件。

本技术说明的目的是描述仪器导线和施加信号幅度对EIS测量结果与阻抗精度图的影响。Gamry所有的ACP制作都提供测量的真实信号幅度和实际仪器导线。