快速檢查EIS系統(tǒng)性能
引言
大頻率是電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試儀器的一個(gè)重要參數(shù)。大多數(shù)EIS制造商在說(shuō)明書中列出1MHz的大頻率。但是，一些制造商的技術(shù)參數(shù)虛報(bào)了真實(shí)的系統(tǒng)性能。很多EIS儀器被測(cè)量1 MHz的阻抗時(shí)可以施加1 MHz的信號(hào)，然后測(cè)量響應(yīng)—這樣做的時(shí)候會(huì)有巨大的誤差。
該技術(shù)報(bào)告能幫助您快速評(píng)估任意EIS儀器的性能。您可以用它簡(jiǎn)單有效地比較不同的阻抗系統(tǒng)。在購(gòu)買前一定記得要先測(cè)試！
測(cè)試程序包括測(cè)量五種EIS阻抗譜。其中三種使用具有理想EIS響應(yīng)的電阻進(jìn)行記錄評(píng)估。另外兩種探測(cè)EIS系統(tǒng)的測(cè)量極限值：其一是在擁有近似無(wú)限大阻抗的電解池上運(yùn)行恒電位模式所得；另一個(gè)是在阻抗值近乎為零的阻抗上運(yùn)行恒電流模式所得。
Gamry公司很樂(lè)意為您提供關(guān)于如何建立您自己的“測(cè)試電阻組件”的相關(guān)準(zhǔn)確測(cè)量信息。請(qǐng)給我們打電話或發(fā)郵件詢問(wèn)關(guān)于建立“EIS檢測(cè)電阻”的情況。
所有高品質(zhì)EIS系統(tǒng)都應(yīng)該可以使用四端連接方式連接到電解池。在這個(gè)常用的組合里，四條導(dǎo)線與被測(cè)樣品相連。兩條導(dǎo)線施加電流，兩條導(dǎo)線測(cè)量電位。阻抗可以通過(guò)測(cè)得的電位與電流的相除計(jì)算得到。沒(méi)有四端連接，EIS阻抗譜不能夠精確地測(cè)量。
如果您的系統(tǒng)不能夠進(jìn)行四端連接時(shí)，您該怎么辦呢？將參比導(dǎo)線以任意適當(dāng)?shù)姆绞竭B向?qū)﹄姌O。不過(guò)別指望能得到高質(zhì)量的結(jié)果。
這個(gè)文件包含了安置電纜線的詳細(xì)信息。纜線與電阻間不適當(dāng)?shù)倪B接將給理想電阻阻抗增加不必要的電容或電感阻抗。如果您遵循我們所說(shuō)的電纜安置方式，電阻阻抗譜應(yīng)該僅有少于2º的阻抗角位移，直到1MHz。
實(shí)驗(yàn)裝置
1 kΩ電阻
1 kΩ電阻用三個(gè)棕色和兩個(gè)黑色的色帶標(biāo)記：
（棕色，黑色，黑色，棕色，棕色）
與1 kΩ電阻的連接方式很簡(jiǎn)單：如圖1 所示。將工作和工作傳感線連到電阻的一端，參比和輔助線連到另一端。導(dǎo)線間保持4厘米的距離以減小電容耦合。
圖1 1 kΩ電阻接線方式
Gamry的電解池導(dǎo)線顏色列于下表中。
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 電解池導(dǎo)線的顏色和功能
測(cè)量電阻的EIS阻抗譜用20 mVrms交流電壓和零直流電壓。測(cè)試頻率應(yīng)該從0.2 Hz到系統(tǒng)的大頻率。
100Ω電阻
100 Ω電阻有三個(gè)黑色和兩個(gè)棕色帶：
（棕色，黑色，黑色，黑色，棕色）
布線對(duì)100 Ω電阻的無(wú)互感阻抗譜至關(guān)重要。將參比和工作傳感線絞纏在一起，然后把它們連在非常靠近電阻的地方。輔助和工作導(dǎo)線也絞纏在一起。它倆從另外一側(cè)連到電阻上，如圖2所示。
圖2 100 Ω電阻接線方式
測(cè)量電阻EIS阻抗譜用20 mVrms交流和零直流電位。測(cè)試頻率應(yīng)該從0.2 Hz到系統(tǒng)的大頻率。
10 kΩ 電阻
10kΩ電阻用色帶標(biāo)記：
（棕色，黑色，黑色，紅色，棕色）
這是 一個(gè)有紅色帶的電阻。
將工作和工作傳感線連到電阻的一端，參比和輔助線連到另一端。導(dǎo)線間保持較遠(yuǎn)的距離以減小電阻上的電容。我們測(cè)量了兩個(gè)距離10 cm的鯊魚夾之間的電容為0.25 pF：足夠引起1 MHz處0.9º的相位誤差。
下圖說(shuō)明了一個(gè)非常低電容的連線方式。
圖3 10 kΩ電阻連線方式
測(cè)量電阻的EIS阻抗譜用20 mVrms交流電壓和零直流電壓。測(cè)試頻率應(yīng)該從0.2 Hz到系統(tǒng)的大頻率。
測(cè)試
開(kāi)路測(cè)試
對(duì)于這個(gè)測(cè)試，理想的電解池應(yīng)有無(wú)限大的阻抗。電池導(dǎo)線間的一個(gè)大的空氣間隙接近這個(gè)理想。
將工作和工作傳感絞纏在一起，然后放置進(jìn)法拉第籠。法拉第籠必須與電化學(xué)工作站的接地線相連。將參比電極和輔助導(dǎo)線連在一起。用Gamry EIS系統(tǒng)時(shí)，這些導(dǎo)線可以留在法拉第籠的外面。
| 注意：使用其他系統(tǒng)時(shí)，輔助和參比電極留在法拉第籠外面可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度噪音。如果真的發(fā)生了，請(qǐng)將導(dǎo)線移進(jìn)籠中。導(dǎo)線對(duì)之間的距離應(yīng)至少保持20 cm。 |
請(qǐng)記錄這個(gè)開(kāi)路裝置的恒電位EIS阻抗譜。我們推薦使用50 mVrms直流振幅電壓和零直流電壓測(cè)試。頻率應(yīng)從25 mHz到系統(tǒng)大頻率。
短路測(cè)試
對(duì)于這個(gè)測(cè)試，理想的電解池阻抗應(yīng)為零。電池導(dǎo)線間短路接近這個(gè)理想。在短路測(cè)試中，電解池導(dǎo)線的放置和導(dǎo)線間的連接方式至關(guān)重要。
| 注意：用銅編織帶代替能提供您一個(gè)好的低阻抗連接。把鱷魚夾夾在一起常給我們帶來(lái)多于500μΩ的接觸電阻。 |
圖4 短路連接方式
絞纏參比和工作傳感線，然后把它們夾到銅編織帶的一端。絞纏輔助和工作導(dǎo)線，然后把它們夾到銅編織帶的另一端。布線方式如圖4所示。
工作傳感和參比導(dǎo)線是連接中里面的一對(duì)。除了銅編織帶連接方式，不要讓線夾引線有觸碰。
| 注意：短路測(cè)試必須用恒電流電解池控制。如果您的EIS系統(tǒng)沒(méi)有提供，恒電位模式?jīng)]有用。 |
用直流電記錄短路裝置的恒電流EIS阻抗譜，電流大小約為儀器額定電流的一半。直流電為零。頻率從0.1 Hz到20 kHz。
結(jié)果
電阻結(jié)果
圖5中的Bode曲線展示了由Gamry Reference 600電化學(xué)工作站測(cè)得的三個(gè)電阻的EIS阻抗譜。圓圈代表阻抗模，十字是相位角。
圖5 三個(gè)電阻的Bode曲線
理想電阻的阻抗值與頻率無(wú)關(guān)，相位角為零。
在上述阻抗譜中，阻抗值變化小于±1%，相位角在所有頻率小于±2º。
圖6展示了由其他供應(yīng)商提供的EIS系統(tǒng)記錄的阻抗譜。在兩個(gè)測(cè)試中，電解池均為10 kΩ。圓圈代表阻抗值，十字是阻抗角。
藍(lán)色的阻抗譜是由Gamry公司的Reference 600測(cè)得的。紅色的阻抗譜是由一個(gè)較差的EIS系統(tǒng)記錄的。這個(gè)EIS系統(tǒng)聲稱在1 MHz操作。在1 MHz，誤差大于40%和30º。這是不能接受的。
圖6 競(jìng)爭(zhēng)者（紅色）和Gamry Reference 600（藍(lán)色）EIS的比較
開(kāi)路結(jié)果
開(kāi)路阻抗是EIS系統(tǒng)能夠測(cè)量的高阻抗。所有的真實(shí)樣品上測(cè)得的阻抗譜包含了樣品的阻抗及與其并聯(lián)的開(kāi)路阻抗。當(dāng)您比較不同EIS系統(tǒng)記錄的開(kāi)路阻抗譜時(shí)，阻抗越高越好。
圖 7 開(kāi)路測(cè)試
圖7中的Bode曲線是用Gamry Reference 600電化學(xué)工作站測(cè)得的開(kāi)路阻抗譜。在一個(gè)廣泛的頻率范圍，它看起來(lái)像一個(gè)小電容器的阻抗譜。
用一個(gè)電容器模型在0.1 Hz到100 kHz的頻率范圍內(nèi)擬合。計(jì)算所得的電容值為0.16 pF±0.0004 pF。
這個(gè)系統(tǒng)在低頻的阻抗超過(guò)10 TΩ（1×1013 Ω）。很多EIS系統(tǒng)的低頻開(kāi)路阻抗低于100 GΩ。這將嚴(yán)重地限制它們測(cè)量高阻抗的能力。
短路結(jié)果
短路阻抗是一個(gè)EIS系統(tǒng)能測(cè)的小組抗值。所有真實(shí)樣品上測(cè)得的阻抗譜包含了樣品的阻抗及與其串聯(lián)的開(kāi)路阻抗。當(dāng)您比較不同EIS系統(tǒng)記錄的短路阻抗譜時(shí)，阻抗越小越好。
圖8 短路結(jié)果
圖8中的Bode曲線是用Gamry公司EIS系統(tǒng)和Reference 600電化學(xué)工作站測(cè)得的短路阻抗譜。電解池導(dǎo)線被夾在一個(gè)銅編織帶上。直流電流大小為300 mArms。
這個(gè)阻抗譜與一個(gè)電阻為30 μΩ和電感為42 nH的串聯(lián)模型擬合良好。電阻值很有趣。用于短路連接的銅編織帶的電阻為每毫米8.4 μΩ。30 μΩ相當(dāng)于編織帶的內(nèi)部路徑有3.6 mm長(zhǎng)。
3.6 mm的電阻式路徑看起來(lái)是有道理的。
| 注意：這個(gè)短路阻抗譜是由每個(gè)Reference 600電化學(xué)工作站都會(huì)提供的標(biāo)準(zhǔn)60 厘米長(zhǎng)電解池纜線測(cè)得的。顯然，使用Gamry為Reference 600配的特殊低阻抗纜線將會(huì)得到更小的互感。 |
短路測(cè)試闡明了在測(cè)量非常小的阻抗時(shí)的一些困難。您必須將四端連接中的電流通路和傳感通路仔細(xì)地分隔開(kāi)。您不能忽視金屬連接的電阻。
其他EIS系統(tǒng)測(cè)到的短路曲線可能看起來(lái)差不多。電阻和電感值可能比上面的阻抗譜中的要高。
如果您使用短路阻抗譜來(lái)比較兩個(gè)EIS系統(tǒng)，請(qǐng)確保您比較的是兩個(gè)系統(tǒng)本身而不是它們短路連接的好壞。
小結(jié)
本測(cè)試報(bào)告可以快速檢查EIS儀器系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。它能快速地挑戰(zhàn)EIS系統(tǒng)的效果，顯示非常差的頻率響應(yīng)和不令人滿意的開(kāi)路和短路阻抗譜。
這些測(cè)試也會(huì)驗(yàn)證EIS系統(tǒng)測(cè)量非常小或非常高阻抗的性能表現(xiàn)。了解這些極限值很重要。它能夠幫助我們把儀器響應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)響應(yīng)區(qū)分開(kāi)來(lái)。
