电化学阻抗谱被称为EIS，是一种越来越常见的无损检测技术，用于分析和识别材料的物理化学性质，尤其是在固液（以及电极-电解质）界面。
EIS可以用于一系列电化学设备的研究-电池，燃料电池和超级电容器-介质涂层和微流控芯片，尽管测量数据很复杂。
当使用MFIA阻抗分析仪（或MFLI与MFIA选项）和使用简单和自来水得到的样品本文探讨EIS的方法论。
背景
测量设置是相当不同的，当它是处于液体状态比它在固体状态。这源于在限制DUT的几何形状的难度。在本文中，电容感测探针是用于示范的目的（如在参考文献1所描绘的，在这里不涉及感应传感器）。
如名称所示，探针的传感部分由一对平行（涂覆的）金属板组成，并且仔细设计以具有1cm（REF 2）的电池常数（k）。
然后可以很容易地从电导（G）计算出电导（σ）；前者通常与稀强电解质中的离子浓度成线性比例。
实验装置
测量是通过交流测试信号，它从MFIA上的HCur BNC端口发出-这一过程是由于电容器的性质，阻止直流电流。使用如图1所示的设置连接一个单端电导率探头。
将HCur、LCur、HPot和LPot端口固定在探头的BNC端是进行四端测量的方法。开始测量前，探头的传感部分在自来水中浸泡一夜，以确保完全湿润。
图1所示。甲方案表示MFIA的设置连接到一个单端电导探针。图片来源:苏黎世仪器
电化学阻抗谱（EIS）
通过将交流测试电压的振幅设置为100 mV，并使用LabOne软件的“Sweeper”工具将频率从10 mHz扫至5 mHz，开始实验。为方便起见，可同时显示测量的振幅和相位（Bode图），如图2所示，只需简单检查“双图”按钮即可。
图2。从Labone Sweeper工具衍生的双凸型图，显示了测量的自来水阻抗的幅度和相位从10MHz到5MHz。图片来源:苏黎世仪器
As shown in Figure 3, toggling into Nyquist plot can be as simple as selecting ‘On-Invert’ from the drop-down menu next to ‘XY Mode’ and choosing ‘Impedance 1 Real (Z)’ as the ‘X Signal,’ and ‘IA Imag (Z)’ as Y in the ‘Vertical Axis Groups.’
图3。将15个连续阻抗测量值重新加载到LabOne Sweeper模块中，并在Nyquist图的高频端放大。图片来源:苏黎世仪器
如图2所示，幅度以低于-1的斜率在低频下减小，在100Hz到10kHz范围内变平，并且再次以高频返回到-1斜率。重要的是要注意，在扫描期间，幅度减小了三个数量级。
由于MFIA的自动测距功能，扫描可以顺利完成，无需手动调整输入范围。
在相位术语中，我们可以观察到100Hz到10 kHz区域涉及一个小（非零）角度（该角度最大为-1.2°在1.4 kHz）。另外，迹线从未在测量频率范围内达到-90°（纯电容）。
显然，结果明显不同于一个简单的RC电路模型，这是经常使用在固态dut。这个结果很有趣，值得深入研究。
为了获得更多的统计数据，在一个周末进行了连续的大扫除。值得注意的是，自LabOne 19.05 release.h5格式以来，“清扫器”（以及“DAQ”和“范围”）模块的测量值可以保存在中，这允许方便地重新加载，以便稍后进行比较。
通过检查“自动保存”按钮，每次扫描都可以自动存储为单个或多个文件格式。按照图3中的Nyquist图所示的顺序，15个测量值被采集并重新加载到LabOne中。
自来水的阻抗逐渐减小随时间（实部向左移动），这是在除了CO由于缓慢蒸发水2从房间气氛中溶解(参考文献3)。
等效电路模型
该项目将阻抗谱与图4中插入的电路模型进行拟合，以得到有意义的解释。MFIA能够导出。csv， .m (Matlab)， .h5 (HDF5)和。txt格式的清扫器数据，然后可以加载到电路建模程序中。
图4。奈奎斯特图嵌入式等效电路模型安装的自来水阻抗。原始数据标有开放点和由橙色线表示的拟合结果。插图电路显示通过虚线分离的固体（电极） - 液体（电解质）（互联）相。图片来源:苏黎世仪器
需要注意的是一个很重要的Kramers-Kronig分析应在建模之前进行，以检查测量数据的线性、稳定性和偶然性（参考3）。表1列出了拟合结果。
表格1。图4.Q和n中阻抗谱的拟合结果来自CPE；Zw、τ和α来自Warburg短元素。有关参数的详细说明，请读者参考参考文献5。来源：苏黎世仪器
| 的名字 |
价值 |
错误 |
| R1 |
80.45欧姆 |
3.2％ |
| R2 |
3320欧姆 |
0.29% |
| C |
1.834×10-10F |
0.58％ |
| 问 |
4.59×10-5欧姆-1年代n |
0.97% |
| n |
0.845 |
0.51% |
| ZW. |
1.184×106欧姆年代-0.5 |
11％ |
| τ. |
7.40 S. |
9.6% |
| α. |
0.780 |
5.6% |
采用改进的Randles电路，R1为固相电阻，固相电阻主要来自连接电缆的寄生以及探头的内阻。
通过使用已知电导率的电解质进行用户补偿进行校准，第一项的影响可以被最小化。后者可以通过连接四个端子尽可能接近电容器板(DUT)，而不是在BNC断路器适配器。
在固液界面形成的电化学双电层位于电路的中间。观察非理想Warburg短（Ws）项与恒定相位元件（CPE）结合使用是很关键的，它取代了通常在别处观察到的典型双层电容（参考文献5）。
这种复杂的行为是由于自来水中含有多种类型的离子和甚至非离子物质（参考文献6和7）的事实。在伯德曲线的斜率为-1的低频稍微偏离，因为CPE不显露完美“-90度”。
在液相中的电阻和自来水的电容被示出在模型（插图图4），其中R2 || C是电阻的右侧。的-1的斜率在高频率很好地相关于电容。
本文的目的是研究液体（自来水）的导电性，这就是为什么重点仍然放在中频（100–10 kHz）区域，这是液相电阻（R2）占主导地位的地方。
为了简化复杂的电路，可以想象来自WS和C的影响很小，使得它可以被简化为R1 + R2 + CPE。CPE仅创建相位中的小转移，这使得它在左右1.4 kHz略微“电容”（低于零）。
因此，导电探针的行为类似于电阻器。在波德图中，拟合的溶液电阻R2，即3320欧姆，与测量阻抗(最低相位)3347欧姆很好地匹配。自来水的电导率为30 mS/m，可以使用上面的方程，与报道的范围(参考文献2)一致。
一些电导探针制造商甚至为简单起见指定了固定频率（例如，1 kHz）。这是一个很好的近似值，因为此处使用的自来水阻抗谱显示了100至10 kHz之间的宽平坦区域。
然而，当电极-电解质界面（由于超级电容器中明显的双层效应）或电解质本身（由于电池等电容性溶质）变得更具电容性时，这种简化就无效了。
相反，通过从测量的阻抗谱进行电路建模，应该仔细提取电解质电阻。显然，这表明在固定频率下扫过测量的益处。
实时阻抗监控
到结束时，检查实时阻抗变化是很重要的。在LabOne使用“绘图仪”工具，五个包括API中的一个（C，LabView的，MATLAB，Python和.NET），所述MFIA能够记录和流测量数据。
该仪器的数据传输速率可以被设置为107的KSa / s，这是比显著萨/ s的范围内更快如典型导电探针。该过程有利于在液体中的快速变化的过程的观察。
图5中，作为一个例子，示出了如何将几个NaCl的盐颗粒进入测量自来水之后，电导增加至970个μS（97毫秒/米的导电性，这是比饮用水范围时，参考文献2），和在8秒内的相位下降至-4.7℃的
这支持了前面的部分的，如权利要求部，其在固定频率阻抗测量，因此，较不理想。
图5。显示在1 kHz下测得的阻抗变化的LabOne绘图仪数据。电导率的增加以及相的减少是由添加NaCl盐引起的。形象信贷：苏黎世仪器
结论
本应用说明探讨了如何设置MFIA，以便在大频率范围内测量液体中的EIS，而不是在次优化的固定频率下。这个MFIA一旦确定感兴趣的频率，可以帮助在时域监控快速过程。
因此，这适用于研究电池、超级电容器和微流控应用的电解质性能。此外，MFIA由于其良好的准确性和快速响应，也是阻抗型传感器应用的优秀候选人。
参考
- 泰铢,美国(2005年)。基于平行板电容的盐度(电导率)传感器。毕业论文和学位论文。http://scholarcommons.usf.edu/etd/2784
- 维基百科。https://en.wikipedia.org/wiki/Conductivity_(电解)
- 李，M等人。（2018）。假胶质涂层，用于有效的电容去离子。ACS应用材料和界面，1亚博网站下载0（3），2442-2450。
- 阿莱姆，M。Kramers–应用于电路阻抗测量的Kronig试验。https://blogs.zhinst.com/mehdia/2017/09/25/kramers-kronig-test-applied-to-impedance-measurements-of-electrical-circuits/
- Bisquert，J等人（2000年）。阻抗法分析多孔膜电极的双指数模型。TiO2纳米孔在水溶液中的弛豫。物理化学杂志B，104（10），2287-2298。
- Sammer，M等人。（2016）。弱磁场的强梯度诱导自来水中的玩货形成。水，8（3），79。
- Sammer, M et al.(2019)。用阻抗谱法测定杂色蚓的生物量。生物阻抗学报，5(1)，92-98。
注意要在很长一段时间内获得更可靠的测量（例如，请将测量频率扩展为1 MHz），将建议使用额外的温度和大气控制。
这些信息已经从苏黎世仪器提供的材料中获取、审查和改编。亚博网站下载
有关此来源的更多信息，请访问苏黎世的乐器。