Mit mér az EIS?
Az elektrokémiai impedanciaspektroszkópia (EIS) kis periodikus gerjesztésre adott választ mér különböző frekvenciákon. A komplex impedancia a feszültség- és áramjel komplex amplitúdójának hányadosa: Z(ω) = ΔE(ω) / ΔI(ω), ahol ω = 2πf. Az eredmény amplitúdót és fáziskülönbséget is tartalmaz. A mérési munkapont — például a potenciál vagy az akkumulátor töltöttsége — az eredmény része. Gyártói bevezető: az EIS alapjai.
Két ábra, ugyanazok az adatok
A Nyquist-ábrán a valós rész, Re Z, mellett rendszerint a negatív képzetes rész, −Im Z szerepel. Minden pont más frekvenciához tartozik; a frekvencia nem önálló tengely. A Bode-ábra a frekvencia függvényében mutatja az impedancia abszolút értékét és fázisát.
A Nyquist-ábrán azonos léptékű tengelyeket használjon: különben a félkör és a meredekség látványa torzul. A jelölések ellenőrzése is szükséges, mert egyes szoftverek Im Z-t ábrázolnak. BioLogic: a Nyquist-ábra tengelyléptéke.
Számított példa: mit jelent egy félkör?
Vegyünk egy Rₛ + (Rct ∥ C) kapcsolást: egy soros ellenállás után párhuzamos ellenállás és ideális kondenzátor következik. Válasszunk Rₛ = 10 Ω, Rct = 100 Ω és C = 20 µF értékeket. Ez oktatási modell; nincs benne diffúzió, induktivitás vagy felületi heterogenitás.
Az impedanciája:
Z(ω) = Rₛ + Rct / (1 + jωRctC), ahol j² = −1.
A képletből közvetlenül következik:
- Nagy frekvencián Z a 10 Ω-os soros ellenálláshoz tart.
- Kis frekvencián Z a két ellenállás összegéhez, 110 Ω-hoz tart.
- A félkör átmérője 100 Ω. Csúcsa Re Z = 60 Ω és −Im Z = 50 Ω helyen van.
- Az időállandó τ = RctC = 0,002 s; a csúcs frekvenciája f = 1/(2πτ) ≈ 79,6 Hz.
A csúcsnál tehát Z = 60 − j50 Ω, |Z| ≈ 78,1 Ω és a fázis ≈ −39,8°. A Nyquist-félkör csúcsa ebben a kapcsolásban nem −45° teljes impedanciafázist jelent: a soros ellenállás is hozzájárul a valós részhez.
Az ábra letöltése vektorosan (SVG). A görbe a fenti képletből számított, nem kísérleti adat. Valódi mintán a hasonló alak önmagában nem igazolja ugyanezt a fizikai modellt. Az Rct jelölés csak megfelelő elektródfolyamat-modell mellett jelent töltésátadási ellenállást.
Potenciál- vagy áramvezérlés?
PEIS esetén a potenciált moduláljuk, az áramot mérjük; GEIS esetén fordítva. Kis impedanciájú cellánál az áramvezérlés kedvező lehet. A GEIS-AA áramvezérlés mellett a célzott feszültségamplitúdóhoz igazítja a gerjesztést. A módválasztás önmagában nem teszi stacionáriussá a mintát. BioLogic: PEIS, GEIS és GEIS-AA.
Saját méretezési példa: 10 mV amplitúdó és 5 mΩ impedanciamodulus esetén az áramamplitúdó 2 A. A kis feszültséggerjesztés ezért nem feltétlenül jelent kis áramterhelést. A DC-munkapontot és az AC-kitérést együtt kell a műszer és a cella határain belül tartani. A csúcs-, csúcs–csúcs- és RMS-amplitúdókat ne keverje össze.
Mielőtt illeszteni kezdene
Az EC-Lab minőségjelzői eltérő problémákra érzékenyek: a THD a harmonikus torzítást, az NSD az időbeli változást, az NSR a zaj jelhez viszonyított részét jellemzi. A BioLogic által tárgyalt 5%-os határ irányszám, nem minden mintára érvényes elfogadási szabály. Az amplitúdót és a használható frekvenciatartományt együtt vizsgálja. BioLogic: megbízható EIS-mérések.
A mérési időt is számolja ki: 10 mHz-en egyetlen periódus 100 másodperc. Három periódus már öt perc, még a beállási idő és a többi frekvenciapont nélkül. Így egy látszólag rövid frekvencialista is hosszú kísérlet lehet.
A jelzők számítását és az ellenőrzés menetét az EIS-adatminőségi útmutató mutatja be részletesebben.
Mit írjon a mérési jegyzőkönyvbe?
A következő lista szerkesztői javaslat a reprodukálhatósághoz:
- Mintaazonosító, cellakialakítás, elektródák és referencia.
- Hőmérséklet, munkapont, akkumulátornál töltöttség és előkezelés.
- PEIS/GEIS mód, amplitúdó és annak definíciója, frekvenciahatárok.
- Pontsűrűség, periódusszám, várakozás és mérési tartományok.
- Kábelezés, műszerkonfiguráció és szoftververzió.
- Nyers adatok, minőségjelzők, kizárt pontok és a kizárás indoka.
- Illesztési modell, súlyozás, paraméterbizonytalanság és maradékok.
Milyen műszerrel induljon?
Az igényeket a műszerválasztóban foglalhatja össze. Összehasonlítási kiindulópont az SP-150e, az SP-300 és akkumulátoros feladatokhoz a BCS-900 család. A modelloldalakon szerepelnek a kiépítési korlátok és opciók; a lista nem személyre szabott ajánlás.
A megbeszélésre a várt impedanciatartományt és a kívánt mérési időt is hozza el. Az EC-Lab és a gyártói alkalmazási jegyzetek segítik a részletes módszerválasztást.
