混合模式电化学阻抗谱(Hybrid EIS)测量的使用

Posted by gamry on June 10, 2022

引言

混合模式电化学阻抗谱(Hybrid EIS)本质上是一种恒电流模式的阻抗谱技术,可用于阻抗随频率有显著变化的样品。与标准的恒电流阻抗谱相比,它的优势在于随着阻抗在每个频率点的变化,可以及时调整扰动电流的大小。 特别适用于能量存储设备,如电池和超级电容器,这类样品具有低阻抗的特点,让研究人员很难确定合适的交流扰动电流。

在Gamry Framework软件中如何实现

混合模式电化学阻抗谱(Hybrid EIS)在Gamry Framework软件中的标准方法界面,以及Sequence Wizard界面均可以实现。

Setup Page for Hybrid EIS

图1:混合模式电化学阻抗谱Hybrid EIS参数设置界面

与大多数阻抗实验一样,前面的参数是实验的频率范围、初始和最终频率,采样的频率点密度,即频率的每个数量级采样点数。接下来,我们需要确定交流扰动信号的幅度,单位为 mV,但这是一个恒电流实验,因此软件将会计算所需的交流电流。在初始频率下,软件根据输入的预估阻抗值(Estimated Z)计算交流电流。下一个参数DC current是直流电流,如果需要保持电池当前的充电状态,通常将其设置为0。最后,有3种测试速度可以选择, “Fast”选项用于对样品阻抗谱进行初步、快速评估;“Normal”是大多数人的选择;“Low Noise”用于测量小信号(电流或电压),需要更长的时间才能完成实验。

可能出现的提示信息

当施加的电流信号可能过小或过大时,该软件有一些内部限制,可以为用户提供指导。 可能弹出的提示信息之一如图 2 所示:

signal too small

图2:当信号太小时出现的提示信息

图 3 显示的提示信息是如果设置的电流对于您正在使用的电化学工作站来说太大的情况下出现的。 请记住,这是理论得出的电流,因此您可以修改设置参数。 降低交流电压幅度,降低初始频率,或重新检查预估阻抗(Estimated Z)。对于Estimated Z的一般性建议是纽扣电池输入 1 欧姆,柱状电池和更大的电池输入 0.1 欧姆。

calculated current too big

图3:当计算得到的电流值过大时出现的提示信息

恒电位(Potentiostatic EIS)与混合模式电化学阻抗谱(Hybrid EIS)的对比

用松下18650 电池进行Hybrid EIS 和Potentiostatic EIS 实验,做对比研究。 在类似条件下记录电池阻抗谱。 图 3 是Hybrid EIS实验曲线,图 4 是Potentiostatic EIS实验曲线。

Bode Plot Hybrid EIS

图 3: Hybrid EIS实验Bode图

Bode Plot Potentiostatic EIS

图 4 :Potentiostatic EIS实验Bode图

Nyquist Plot Overlay

图5:两次实验重叠的Nyquist图

图5显示的两次实验重叠Nyquist图,两次的曲线相差很小。

结论

Hybrid EIS 对于难以执行Potentiostatic EIS测试的样品是有用的替代方案。文中介绍了相关的实验参数和一些限制条件,以及18650 电池的对比测试曲线,结果显示两种方法之间差异很小。