快速檢查EIS系統性能

引言

大頻率是電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試儀器的一個(gè)重要參數。大多數EIS制造商在說(shuō)明書(shū)中列出1MHz的大頻率。但是，一些制造商的技術(shù)參數虛報了真實(shí)的系統性能。很多EIS儀器被測量1 MHz的阻抗時(shí)可以施加1 MHz的信號，然后測量響應—這樣做的時(shí)候會(huì )有巨大的誤差。

該技術(shù)報告能幫助您快速評估任意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。在購買(mǎi)前一定記得要先測試！

測試程序包括測量五種EIS阻抗譜。其中三種使用具有理想EIS響應的電阻進(jìn)行記錄評估。另外兩種探測EIS系統的測量極限值：其一是在擁有近似無(wú)限大阻抗的電解池上運行恒電位模式所得；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“測試電阻組件”的相關(guān)準確測量信息。請給我們打電話(huà)或發(fā)郵件詢(xún)問(wèn)關(guān)于建立“EIS檢測電阻”的情況。

所有高品質(zhì)EIS系統都應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，四條導線(xiàn)與被測樣品相連。兩條導線(xiàn)施加電流，兩條導線(xiàn)測量電位。阻抗可以通過(guò)測得的電位與電流的相除計算得到。沒(méi)有四端連接，EIS阻抗譜不能夠精確地測量。

如果您的系統不能夠進(jìn)行四端連接時(shí)，您該怎么辦呢？將參比導線(xiàn)以任意適當的方式連向對電極。不過(guò)別指望能得到高質(zhì)量的結果。

這個(gè)文件包含了安置電纜線(xiàn)的詳細信息。纜線(xiàn)與電阻間不適當的連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，電阻阻抗譜應該僅有少于2º的阻抗角位移，直到1MHz。

實(shí)驗裝置

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(xiàn)連到電阻的一端，參比和輔助線(xiàn)連到另一端。導線(xiàn)間保持4厘米的距離以減小電容耦合。

圖1 1 kΩ電阻接線(xiàn)方式

Gamry的電解池導線(xiàn)顏色列于下表中。

表1 電解池導線(xiàn)的顏色和功能

測量電阻的EIS阻抗譜用20 mV_rms交流電壓和零直流電壓。測試頻率應該從0.2 Hz到系統的大頻率。

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(xiàn)對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(xiàn)絞纏在一起，然后把它們連在非?？拷娮璧牡胤?。輔助和工作導線(xiàn)也絞纏在一起。它倆從另外一側連到電阻上，如圖2所示。

圖2 100 Ω電阻接線(xiàn)方式

測量電阻EIS阻抗譜用20 mV_rms交流和零直流電位。測試頻率應該從0.2 Hz到系統的大頻率。

10 kΩ 電阻

10kΩ電阻用色帶標記：

（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(xiàn)連到電阻的一端，參比和輔助線(xiàn)連到另一端。導線(xiàn)間保持較遠的距離以減小電阻上的電容。我們測量了兩個(gè)距離10 cm的鯊魚(yú)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(xiàn)方式。

圖3 10 kΩ電阻連線(xiàn)方式

測量電阻的EIS阻抗譜用20 mV_rms交流電壓和零直流電壓。測試頻率應該從0.2 Hz到系統的大頻率。

測試

開(kāi)路測試

對于這個(gè)測試，理想的電解池應有無(wú)限大的阻抗。電池導線(xiàn)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(xiàn)相連。將參比電極和輔助導線(xiàn)連在一起。用Gamry EIS系統時(shí)，這些導線(xiàn)可以留在法拉第籠的外面。

請記錄這個(gè)開(kāi)路裝置的恒電位EIS阻抗譜。我們推薦使用50 mV_rms直流振幅電壓和零直流電壓測試。頻率應從25 mHz到系統大頻率。

短路測試

對于這個(gè)測試，理想的電解池阻抗應為零。電池導線(xiàn)間短路接近這個(gè)理想。在短路測試中，電解池導線(xiàn)的放置和導線(xiàn)間的連接方式至關(guān)重要。

圖4 短路連接方式

絞纏參比和工作傳感線(xiàn)，然后把它們夾到銅編織帶的一端。絞纏輔助和工作導線(xiàn)，然后把它們夾到銅編織帶的另一端。布線(xiàn)方式如圖4所示。

工作傳感和參比導線(xiàn)是連接中里面的一對。除了銅編織帶連接方式，不要讓線(xiàn)夾引線(xiàn)有觸碰。

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。

結果

電阻結果

圖5中的Bode曲線(xiàn)展示了由Gamry Reference 600電化學(xué)工作站測得的三個(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(xiàn)

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展示了由其他供應商提供的EIS系統記錄的阻抗譜。在兩個(gè)測試中，電解池均為10 kΩ。圓圈代表阻抗值，十字是阻抗角。

藍色的阻抗譜是由Gamry公司的Reference 600測得的。紅色的阻抗譜是由一個(gè)較差的EIS系統記錄的。這個(gè)EIS系統聲稱(chēng)在1 MHz操作。在1 MHz，誤差大于40%和30º。這是不能接受的。

圖6 競爭者（紅色）和Gamry Reference 600（藍色）EIS的比較

開(kāi)路結果

開(kāi)路阻抗是EIS系統能夠測量的高阻抗。所有的真實(shí)樣品上測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。當您比較不同EIS系統記錄的開(kāi)路阻抗譜時(shí)，阻抗越高越好。

圖 7 開(kāi)路測試

圖7中的Bode曲線(xiàn)是用Gamry Reference 600電化學(xué)工作站測得的開(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的頻率范圍內擬合。計算所得的電容值為0.16 pF±0.0004 pF。

這個(gè)系統在低頻的阻抗超過(guò)10 TΩ（1×10¹³ Ω）。很多EIS系統的低頻開(kāi)路阻抗低于100 GΩ。這將嚴重地限制它們測量高阻抗的能力。

短路結果

短路阻抗是一個(gè)EIS系統能測的小組抗值。所有真實(shí)樣品上測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。當您比較不同EIS系統記錄的短路阻抗譜時(shí)，阻抗越小越好。

圖8 短路結果

圖8中的Bode曲線(xiàn)是用Gamry公司EIS系統和Reference 600電化學(xué)工作站測得的短路阻抗譜。電解池導線(xiàn)被夾在一個(gè)銅編織帶上。直流電流大小為300 mA_rms。

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相當于編織帶的內部路徑有3.6 mm長(cháng)。

3.6 mm的電阻式路徑看起來(lái)是有道理的。

短路測試闡明了在測量非常小的阻抗時(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地分隔開(kāi)。您不能忽視金屬連接的電阻。

其他EIS系統測到的短路曲線(xiàn)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，請確保您比較的是兩個(gè)系統本身而不是它們短路連接的好壞。

小結

本測試報告可以快速檢查EIS儀器系統的性能表現。它能快速地挑戰EIS系統的效果，顯示非常差的頻率響應和不令人滿(mǎn)意的開(kāi)路和短路阻抗譜。

這些測試也會(huì )驗證EIS系統測量非常小或非常高阻抗的性能表現。了解這些極限值很重要。它能夠幫助我們把儀器響應和電化學(xué)反應響應區分開(kāi)來(lái)。