電池的全面阻抗測(cè)試—— Interface™ 5000E 雙靜電計(jì)電化學(xué)工作站
引言
我們常常從Reference™ 3000AE電化學(xué)工作站的用戶那里得到積極的阻抗測(cè)試反饋。AE輔助靜電計(jì)選項(xiàng)設(shè)計(jì)可以在電化學(xué)測(cè)試過(guò)程中，同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)電壓信號(hào)，具有AE選項(xiàng)的儀器與通常Reference 3000電化學(xué)工作站的區(qū)別，在于從前面板延伸出的4套電極線和靜電計(jì)。Framework軟件的標(biāo)準(zhǔn)方法中，可以自動(dòng)識(shí)別AE選項(xiàng)。因此，AE選項(xiàng)在用戶中已經(jīng)*。
在本應(yīng)用報(bào)告中，我們來(lái)了解一下名氣沒(méi)那么大的，Interface™ 5000E電化學(xué)工作站的雙靜電計(jì)特征。恒電位儀測(cè)試電壓的同時(shí)，用戶可以采用雙靜電計(jì)進(jìn)行第二個(gè)電壓測(cè)試。這與Reference™ 3000AE的輔助靜電計(jì)選項(xiàng)十分類似，不同之處在于它是采用儀器本身的輔助傳感電極線counter sense（橙色）進(jìn)行連接，測(cè)試第二個(gè)電壓。由于沒(méi)有另外增加連接線，雙靜電計(jì)的特征十分容易被忽視。實(shí)際上，用戶可以采用雙靜電計(jì)進(jìn)行5電極測(cè)試。
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實(shí)驗(yàn)裝置連接
雙靜電計(jì)簡(jiǎn)化示意圖如圖1。工作電極(WE)和對(duì)電極(CE)用于測(cè)量電流，這與我們電化學(xué)工作站的連接方式一致， 工作傳感電極(WS)、 參比電極 (RE)和輔助傳感電極 (CS)用于測(cè)量電壓。使用5電極連接方式，我們可以同時(shí)測(cè)量三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)：
1. 通過(guò)電池的電流, icell
2. 電池電壓Vcell， Vcell=VWS – VCS
3. 半電池電壓, 正極電壓Vpos 和負(fù)極電壓Vneg
a. Vpos=VWS – VRE
b. Vneg = VRE – VCS
有了Icell、 Vcell和Vpos (或者 Vneg)這些參數(shù)的測(cè)量值，我們就可以同時(shí)測(cè)量整個(gè)電池的阻抗，以及每個(gè)半電池的阻抗，而所有這些，僅僅需要一臺(tái)電化學(xué)工作站就足夠了！
圖1：5電極測(cè)試電化學(xué)池示意圖
WE: 工作電極; WS: 工作傳感電極; RE: 參比電極; CS: 輔助傳感電極; CE: 輔助電極
為了驗(yàn)證，我們將Interface 5000電化學(xué)工作站連接到一個(gè)交流校準(zhǔn)電解池(貨號(hào)：990-00419)上，如圖2所示。電解池的正面可以看到兩排蕉形插孔(2 mm 和 5 mm)，用于電化學(xué)工作站電極線的連接，反面能夠看到RC-R-RC電路的痕跡。假定兩個(gè)單獨(dú)的電化學(xué)界面以導(dǎo)線連接，中間被內(nèi)部電阻隔開(kāi)，這個(gè)簡(jiǎn)單的電路將具有近似的阻抗特性。
圖2：交流校準(zhǔn)電解池990-00419)的正反面
把正反面圖重疊起來(lái)顯示每個(gè)端口的連接情況，如圖3。在交流校準(zhǔn)電解池上，CS 和 CE （忽略微小的電阻）連接到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，類似的，WS和WE也連接到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)。然而，交流校準(zhǔn)電解池并非真正的四端子測(cè)試。在真正的四端子法連接時(shí)，如電池夾具，WS 和 WE與電池都是單路觸點(diǎn)連接的。使用雙靜電計(jì)模式，我們可以測(cè)量跨越電路板兩端的電壓，正如CS-RE 和 WS-RE之間的電壓。
圖3：Gamry公司的交流校準(zhǔn)電解池示意圖。
操作運(yùn)行
我們使用圖2上圖中的電極線，采用雙靜電計(jì)模式，測(cè)量了交流校準(zhǔn)電解池的阻抗，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)圖4中的Nyquist圖和表格。三條曲線分別對(duì)應(yīng)全電池(R1C1- R2-R3C2)阻抗、正極半電池(R1C1-R2)阻抗和負(fù)極半電池(R3C2)阻抗。與預(yù)料的一致，全電池阻抗響應(yīng)是兩個(gè)部分重疊的圓弧向Y軸的右邊移動(dòng)的結(jié)果，與兩個(gè)RC回路及一個(gè)單獨(dú)的電阻串聯(lián)的結(jié)果曲線一致。正極的半電池阻抗是一個(gè)單獨(dú)的圓弧，位于Y軸的右方，這與一個(gè)RC回路串聯(lián)一個(gè)電阻的曲線一致。后，負(fù)極半電池阻抗是一個(gè)從原點(diǎn)出發(fā)的單獨(dú)圓弧，這與單個(gè)RC回路的曲線一致。
圖4：交流校準(zhǔn)電解池的Nyquist圖，表格中的數(shù)據(jù)是阻抗擬合的結(jié)果。
這個(gè)測(cè)試的重要性如下：在雙靜電計(jì)模式下，我們可以分離、鑒別和模擬每個(gè)半電池中的阻抗元件。參比電極相對(duì)于工作傳感電極和輔助傳感電極引線的位置是重要的影響因素。
我們現(xiàn)在就可以體驗(yàn)使用雙靜電計(jì)的優(yōu)勢(shì)了。
- 一致性：全電池阻抗是半電池阻抗的總和，與兩次或三次序列阻抗掃描不同，隨時(shí)間的漂移達(dá)到了小化。
- 節(jié)省時(shí)間：一次阻抗掃描能夠獲得三套阻抗數(shù)據(jù)。
- 控制：用不同的、巧妙的接線方式，可以對(duì)每個(gè)半電池阻抗譜中的阻抗元件，進(jìn)行分離和控制。
作為后全面的檢查，我們應(yīng)該把每個(gè)電阻和電容的標(biāo)準(zhǔn)值與允許的公差與擬合出的值相比較。擬合值（圖4）與標(biāo)稱值（表1）對(duì)比顯示，我們使用交流校準(zhǔn)電解池進(jìn)行的阻抗測(cè)試很成功。
表1：交流校準(zhǔn)電解池的電阻和電容標(biāo)稱值
