电池的全面阻抗测试—— Interface™ 5000E 双静电计电化学工作站

引言

我们常常从Reference™ 3000AE电化学工作站的用户那里得到积极的阻抗测试反馈。AE辅助静电计选项设计可以在电化学测试过程中,同时监测多个电压信号,具有AE选项的仪器与通常Reference 3000电化学工作站的区别,在于从前面板延伸出的4套电极线和静电计。Framework软件的标准方法中,可以自动识别AE选项。因此,AE选项在用户中已经众所周知。

在本应用报告中,我们来了解一下名气没那么大的,Interface™ 5000E电化学工作站的双静电计特征。恒电位仪测试电压的同时,用户可以采用双静电计进行第二个电压测试。这与Reference™ 3000AE的辅助静电计选项十分类似,不同之处在于它是采用仪器本身的辅助传感电极线counter sense(橙色)进行连接,测试第二个电压。由于没有另外增加连接线,双静电计的特征十分容易被忽视。实际上,用户可以采用双静电计进行5电极测试。

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两电极、三电极和四电极实验介绍

实验装置连接

双静电计简化示意图如图1。工作电极(WE)和对电极(CE)用于测量电流,这与我们电化学工作站的连接方式一致, 工作传感电极(WS)、 参比电极 (RE)和辅助传感电极 (CS)用于测量电压。使用5电极连接方式,我们可以同时测量三个独立的参数:

1. 通过电池的电流, icell

2. 电池电压Vcell, Vcell=VWS – VCS

3. 半电池电压, 正极电压Vpos 和负极电压Vneg

a. Vpos=VWS – VRE

b. Vneg = VRE – VCS

有了Icell、 Vcell和Vpos (或者 Vneg)这些参数的测量值,我们就可以同时测量整个电池的阻抗,以及每个半电池的阻抗,而所有这些,仅仅需要一台电化学工作站就足够了!

electrochemical cell setup

图1:5电极测试电化学池示意图
WE: 工作电极; WS: 工作传感电极; RE: 参比电极; CS: 辅助传感电极; CE: 辅助电极

为了验证,我们将Interface 5000电化学工作站连接到一个交流校准电解池(货号:990-00419)上,如图2所示。电解池的正面可以看到两排蕉形插孔(2 mm 和 5 mm),用于电化学工作站电极线的连接,反面能够看到RC-R-RC电路的痕迹。假定两个单独的电化学界面以导线连接,中间被内部电阻隔开,这个简单的电路将具有近似的阻抗特性。

ac dummy cell

图2:交流校准电解池990-00419)的正反面

 把正反面图重叠起来显示每个端口的连接情况,如图3。在交流校准电解池上,CS 和 CE (忽略微小的电阻)连接到同一个节点,类似的,WS和WE也连接到同一个节点。然而,交流校准电解池并非真正的四端子测试。在真正的四端子法连接时,如电池夹具,WS 和 WE与电池都是单路触点连接的。使用双静电计模式,我们可以测量跨越电路板两端的电压,正如CS-RE 和 WS-RE之间的电压。

diagram ac dummy cell

图3:Gamry公司的交流校准电解池示意图。

操作运行

我们使用图2上图中的电极线,采用双静电计模式,测量了交流校准电解池的阻抗,数据结果见图4中的Nyquist图和表格。三条曲线分别对应全电池(R1C1- R2-R3C2)阻抗、正极半电池(R1C1-R2)阻抗和负极半电池(R3C2)阻抗。与预料的一致,全电池阻抗响应是两个部分重叠的圆弧向Y轴的右边移动的结果,与两个RC回路及一个单独的电阻串联的结果曲线一致。正极的半电池阻抗是一个单独的圆弧,位于Y轴的右方,这与一个RC回路串联一个电阻的曲线一致。最后,负极半电池阻抗是一个从原点出发的单独圆弧,这与单个RC回路的曲线一致。

nyquist plot ac dummy cell

Fig4 nyquist plots

图4:交流校准电解池的Nyquist图,表格中的数据是阻抗拟合的结果。

这个测试的重要性如下:在双静电计模式下,我们可以分离、鉴别和模拟每个半电池中的阻抗元件。参比电极相对于工作传感电极和辅助传感电极引线的位置是重要的影响因素。

我们现在就可以体验使用双静电计的优势了。

  •  一致性:全电池阻抗是半电池阻抗的总和,与两次或三次序列阻抗扫描不同,随时间的漂移达到了最小化。
  • 节省时间:一次阻抗扫描能够获得三套阻抗数据。
  • 控制:用不同的、巧妙的接线方式,可以对每个半电池阻抗谱中的阻抗元件,进行分离和控制。

作为最后全面的检查,我们应该把每个电阻和电容的标准值与允许的公差与拟合出的值相比较。拟合值(图4)与标称值(表1)对比显示,我们使用交流校准电解池进行的阻抗测试很成功。

表1:交流校准电解池的电阻和电容标称值

Table1 Resister capacitor values