快速检查EIS系统性能

引言

最大频率是电化学阻抗谱(EIS)测试仪器的一个重要参数。大多数EIS制造商在说明书中列出1MHz的最大频率。但是,一些制造商的技术参数虚报了真实的系统性能。很多EIS仪器被指定测量1 MHz的阻抗时可以施加1 MHz的信号,然后测量响应—这样做的时候会有巨大的误差。

该技术报告能帮助您快速评估任意EIS仪器的性能。您可以用它简单有效地比较不同的阻抗系统。在购买前一定记得要先测试!

测试程序包括测量五种EIS阻抗谱。其中三种使用具有理想EIS响应的电阻进行记录评估。另外两种探测EIS系统的测量极限值:其一是在拥有近似无限大阻抗的电解池上运行恒电位模式所得;另一个是在阻抗值近乎为零的阻抗上运行恒电流模式所得。

Gamry公司很乐意为您提供关于如何建立您自己的“测试电阻组件”的相关准确测量信息。请给我们打电话或发邮件询问关于建立“EIS检测电阻”的情况。

所有高品质EIS系统都应该可以使用四端连接方式连接到电解池。在这个常用的组合里,四条导线与被测样品相连。两条导线施加电流,两条导线测量电位。阻抗可以通过测得的电位与电流的相除计算得到。没有四端连接,EIS阻抗谱不能够精确地测量。

如果您的系统不能够进行四端连接时,您该怎么办呢?将参比导线以任意适当的方式连向对电极。不过别指望能得到高质量的结果。

这个文件包含了安置电缆线的详细信息。缆线与电阻间不适当的连接将给理想电阻阻抗增加不必要的电容或电感阻抗。如果您遵循我们所说的电缆安置方式,电阻阻抗谱应该仅有少于2º的阻抗角位移,直到1MHz。

实验装置

1 kΩ电阻

1 kΩ电阻用三个棕色和两个黑色的色带标记:

1 kΩ resistor is marked with 3 brown and 2 black colored bands

(棕色,黑色,黑色,棕色,棕色)

与1 kΩ电阻的连接方式很简单:如图1 所示。将工作和工作传感线连到电阻的一端,参比和辅助线连到另一端。导线间保持4厘米的距离以减小电容耦合。

Hooking up to the 1 kΩ resistor is easy

图1 1 kΩ电阻接线方式

Gamry的电解池导线颜色列于下表中。

Color

Lead

Function

Green

Working Electrode

Current Flow

Blue

Working Sense

Voltage Sense

White

Reference Electrode

Voltage Sense

Red

Counter Electrode

Current Flow

表1 电解池导线的颜色和功能

测量电阻的EIS阻抗谱用20 mVrms交流电压和零直流电压。测试频率应该从0.2 Hz到系统的最大频率。

100Ω电阻

100 Ω电阻有三个黑色和两个棕色色带:

The 100 Ω resistor is marked with 3 black and 2 brown colored bands

(棕色,黑色,黑色,黑色,棕色)

布线对100 Ω电阻的无互感阻抗谱至关重要。将参比和工作传感线绞缠在一起,然后把它们连在非常靠近电阻的地方。辅助和工作导线也绞缠在一起。它俩从另外一侧连到电阻上,如图2所示。

Lead placement is critical for a non-inductive spectrum of the 100 &Omega resistor.

图2 100 Ω电阻接线方式

测量电阻EIS阻抗谱用20 mVrms交流和零直流电位。测试频率应该从0.2 Hz到系统的最大指定频率。

10 kΩ 电阻

10kΩ电阻用色带标记:

The 10 kΩ resistor is marked with colored bands

(棕色,黑色,黑色,红色,棕色)

这是唯一一个有红色色带的电阻。

将工作和工作传感线连到电阻的一端,参比和辅助线连到另一端。导线间保持较远的距离以减小电阻上的电容。我们测量了两个距离10 cm的鲨鱼夹之间的电容为0.25 pF:足够引起1 MHz处0.9º的相位误差。

下图说明了一个非常低电容的连线方式。

a very low capacitance connection

图3 10 kΩ电阻连线方式

测量电阻的EIS阻抗谱用20 mVrms交流电压和零直流电压。测试频率应该从0.2 Hz到系统的最大指定频率。

测试

开路测试

对于这个测试,理想的电解池应有无限大的阻抗。电池导线间的一个大的空气间隙接近这个理想。

将工作和工作传感绞缠在一起,然后放置进法拉第笼。法拉第笼必须与电化学工作站的接地线相连。将参比电极和辅助导线连在一起。用Gamry EIS系统时,这些导线可以留在法拉第笼的外面。

注意:使用其他系统时,辅助和参比电极留在法拉第笼外面可能会导致过度噪音。如果真的发生了,请将导线移进笼中。导线对之间的距离应至少保持20 cm。

请记录这个开路装置的恒电位EIS阻抗谱。我们推荐使用50 mVrms直流振幅电压和零直流电压测试。频率应从25 mHz到系统最大频率。

短路测试

对于这个测试,理想的电解池阻抗应为零。电池导线间短路接近这个理想。在短路测试中,电解池导线的放置和导线间的连接方式至关重要。

注意:用铜编织带代替能提供您一个好的低阻抗连接。把鳄鱼夹夹在一起常给我们带来多于500μΩ的接触电阻。

 

Twist the Reference and Working Sense leads together

图4 短路连接方式

绞缠参比和工作传感线,然后把它们夹到铜编织带的一端。绞缠辅助和工作导线,然后把它们夹到铜编织带的另一端。布线方式如图4所示。

工作传感和参比导线是连接中里面的一对。除了铜编织带连接方式,不要让线夹引线有触碰。

注意:短路测试必须用恒电流电解池控制。如果您的EIS系统没有提供,恒电位模式没有用。

用直流电记录短路装置的恒电流EIS阻抗谱,电流大小约为仪器额定电流的一半。直流电为零。频率从0.1 Hz到20 kHz。

结果

电阻结果

图5中的Bode曲线展示了由Gamry Reference 600电化学工作站测得的三个电阻的EIS阻抗谱。圆圈代表阻抗模,十字是相位角。

The Bode Plot below shows EIS spectra of the three resistors measured with a Gamry Reference 600 Potentiostat

图5 三个电阻的Bode曲线

理想电阻的阻抗值与频率无关,相位角为零。

在上述阻抗谱中,阻抗值变化小于±1%,相位角在所有频率小于±2º。

图6展示了由其他供应商提供的EIS系统记录的阻抗谱。在两个测试中,电解池均为10 kΩ。圆圈代表阻抗值,十字是阻抗角。

蓝色的阻抗谱是由Gamry公司的Reference 600测得的。红色的阻抗谱是由一个较差的EIS系统记录的。这个EIS系统声称在1 MHz操作。在1 MHz,误差大于40%和30º。这是不能接受的。

 The spectrum was measured using a Gamry Instruments Reference 600

图6 竞争者(红色)和Gamry Reference 600(蓝色)EIS的比较

开路结果

开路阻抗是EIS系统能够测量的最高阻抗。所有的真实样品上测得的阻抗谱包含了样品的阻抗及与其并联的开路阻抗。当您比较不同EIS系统记录的开路阻抗谱时,阻抗越高越好。

The open lead impedance represents the highest impedance that an EIS system will measure

图 7 开路测试

图7中的Bode曲线是用Gamry Reference 600电化学工作站测得的开路阻抗谱。在一个广泛的频率范围,它看起来像一个小电容器的阻抗谱。

用一个电容器模型在0.1 Hz到100 kHz的频率范围内拟合。计算所得的电容值为0.16 pF±0.0004 pF。

这个系统在低频的阻抗超过10 TΩ(1×1013 Ω)。很多EIS系统的低频开路阻抗低于100 GΩ。这将严重地限制它们测量高阻抗的能力。

 

短路结果

短路阻抗是一个EIS系统能测的最小组抗值。所有真实样品上测得的阻抗谱包含了样品的阻抗及与其串联的开路阻抗。当您比较不同EIS系统记录的短路阻抗谱时,阻抗越小越好。

The Bode Plot is a shorted lead spectrum measured using a Gamry Instruments EIS system with a Reference 600 Potentiostat

图8 短路结果

图8中的Bode曲线是用Gamry公司EIS系统和Reference 600电化学工作站测得的短路阻抗谱。电解池导线被夹在一个铜编织带上。直流电流大小为300 mArms

这个阻抗谱与一个电阻为30 μΩ和电感为42 nH的串联模型拟合良好。电阻值很有趣。用于短路连接的铜编织带的电阻为每毫米8.4 μΩ。30 μΩ相当于编织带的内部路径有3.6 mm长。

3.6 mm的电阻式路径看起来是有道理的。

注意:这个短路阻抗谱是由每个Reference 600电化学工作站都会提供的标准60 厘米长电解池缆线测得的。显然,使用Gamry为Reference 600配的特殊低阻抗缆线将会得到更小的互感。

短路测试阐明了在测量非常小的阻抗时的一些困难。您必须将四端连接中的电流通路和传感通路仔细地分隔开。您不能忽视金属连接的电阻。

其他EIS系统测到的短路曲线可能看起来差不多。电阻和电感值可能比上面的阻抗谱中的要高。

如果您使用短路阻抗谱来比较两个EIS系统,请确保您比较的是两个系统本身而不是它们短路连接的好坏。

小结

本测试报告可以快速检查EIS仪器系统的性能表现。它能快速地挑战EIS系统的效果,显示非常差的频率响应和不令人满意的开路和短路阻抗谱。

这些测试也会验证EIS系统测量非常小或非常高阻抗的性能表现。了解这些极限值很重要。它能够帮助我们把仪器响应和电化学反应响应区分开来。