Gamry电化学工作站 Reference 3000

校准电化学工作站

介绍 必须校准所有科学仪器，以确保包括电化学工作站在内的正确功能和准确结果。本篇应用报告解释了在我们的工厂和您的实验室中对电化学工作站进行各种校准背后的原理。 为什么校准? 对电化学工作站进行校准是重要的。由于内部组件随时间变化，仪器放置在各种环境中，以及电极线和电池几何形状的细微差异，电化学工作站的测量值可能会略有变化。校准“充值”电化学工作站对信号的响应。

有机涂层的电化学阻抗谱

我的所有阻抗图谱看上去都一样！ 这样的抱怨非常普遍。 “我是一个经验丰富的高分子化学家。我尝试用电化学阻抗法来预测涂层的耐腐蚀性能。我记录许多阻抗数据。尽管我在涂层配方中做了改变，几乎所有的图谱都一样。显然，我不能用这些结果去评价我的涂层行为。这是怎么回事？” 对于这样的抱怨，有两种常见的原因： 涂层质量很好，EIS数据重现性非常好 你试图做的测试超出了电化学工作站阻抗系统的能力范围 第二种原因可能性更大。实际你在测试仪器的性能，而不是涂层的性能。 这篇应用报告将会探讨电化学工作站对涂层阻抗测试的影响。所有例子都是用Gamry电化学仪器，但是容适用任何电化学工作站的阻抗系统。 本报告最后提出一些具体建议，解析难以测试的涂层体系的阻抗图谱。

低阻抗锂离子电池的电化学阻抗谱测试

电化学阻抗谱（EIS）是获取电化学系统信息的一种强有力的测试方法。它常常被应用在测试新型的能源转换和存储类电化学器件（ECS），包括电池，燃料电池和超级电容器。EIS可以被用到新设备发展的各个阶段，一直从半电解池反应的机理和动力学初始评估到电池包的质量控制。 ECS器件在高功率应用（例如电动汽车）中使用量的增加引导我们发展更多具有较低阻抗的设备。不幸的是，现代ECS器件的阻抗常常太低了，以至于实验室EIS系统无法轻易地或者准确地测量到。大多数商业EIS系统在阻抗低于0.1Ω时测试效果不好。 该技术报告采用GAMRY仪器在一个锂离子二次电池上进行了一系列EIS测试，其中锂离子电池在1kHz下的阻抗低于500 μΩ。文中列举了一些特别技巧，可以用来提高这个困难测试的精确度和频率范围。

非标准充放电循环测试简介：自定义电流分布

电动汽车里的电池在加速和保持车辆速度的过程中放 电。当车辆制动时，电池被再次充电。驾驶循环因此 可以反映电池放电和充电中的显著变化，这样，就可 能观察到安培级的电流波动了。打个比方，美国先进 电池联合会（USABC）对电动汽车进行了联邦城市驾驶 日程安排（FUDS）循环测试，然后将结果用峰放电功 率百分比对时间的形式展示在图1中。负的百分比数值 指的是放电态，而正值指的是充电态。 电池的循环充放电（CCD）用的是Gamry公司在电化学 能源软件包中实现的一个标准循环测试。我们也有一 个应用报告解释了如何用我们的电化学工作站运行CCD 。在本应用报告中，仅有恒定电流，功率或电阻的循 环测试是不够的。在此所用的测试使用一个预设电流 分布去使电池放电。该电流分布被设计用于模拟电池 在其寿命内面对的运行条件。在此我们测试了电动汽 车与驾驶循环，如美国环保署（FBA）城市测功机驾驶 时间表（UDDS），相关联的电池充放电。尽管我们没 有测试真实电动汽车电池，我们展示了一个标准18650 锂离子电池的测试结果。 最后，我们展示了如何在你的ReferenceTM 3000或 InterfaceTM 5000上创建一个FrameworkTM软件的脚本 来运行各种的测试。

使用Gamry EIS300电化学阻抗谱软件进行等效电路模拟

电化学阻抗谱（EIS）是分析复杂电化学系统的强有力工具。您可以浏览技术报告Basics of EIS，里面有对EIS的全面介绍。而那则技术报告中提及的大多数内容，本文将不再赘述。 本技术报告实际讨论了EIS数据分析最常见的方法，给大家甚至是初学者提供从EIS阻抗谱理解电解池中物理过程的基本方法。本文特意回避了与EIS数据分析相关的复杂数学计算。

有机涂层的电化学阻抗谱

我的所有阻抗图谱看上去都一样！ 这样的抱怨非常普遍。 “我是一个经验丰富的高分子化学家。我尝试用电化学阻抗法来预测涂层的耐腐蚀性能。我记录许多阻抗数据。尽管我在涂层配方中做了改变，几乎所有的图谱都一样。显然，我不能用这些结果去评价我的涂层行为。这是怎么回事？” 对于这样的抱怨，有两种常见的原因： 涂层质量很好，EIS数据重现性非常好 你试图做的测试超出了电化学工作站阻抗系统的能力范围 第二种原因可能性更大。实际你在测试仪器的性能，而不是涂层的性能。 这篇应用报告将会探讨电化学工作站对涂层阻抗测试的影响。所有例子都是用Gamry电化学仪器，但是容适用任何电化学工作站的阻抗系统。 本报告最后提出一些具体建议，解析难以测试的涂层体系的阻抗图谱。

电池的全面阻抗测试—— Interface™ 5000E双静电计电化学工作站

恒电位仪测试电压的同时，用户可以采用双静电计进行第二个电压测试。这与Reference™3000AE的辅助静电计选项十分类似，不同之处在于它是采用仪器本身的辅助传感电极线counter sense（橙色）进行连接，测试第二个电压。由于没有另外增加连接线，双静电计的特征十分容易被忽视。实际上，用户可以采用双静电计进行5电极测试。 总之，用户可以用这台特别设计的电化学工作站来进行阴阳极同步阻抗或控制电流等测试，可以同时对电池阴极、阳极和全电池进行检测，同时获得全电池和两个半电池的阻抗曲线。

理解电化学工作站的技术参数

这个技术报告的目的在于帮助您更好地了解电化学工作站的功能和各项技术参数。规格说明书里常提到的典型参数在报告中都做了相应的解释。另外，该报告还显示了哪些参数与实际应用最为相关，同时指出了应用中需要注意的地方。 引言 在购买电化学工作站时，很多相关因素很重要。“越多越好”这个原则在此处不再适用。相反，电化学工作站的技术参数应当与您的实验需求相匹配： 您是在寻找一个普适的仪器还是一台高精度的电化学工作站？ 您想要一台用于高功率设备测试的电化学工作站吗？ 您需要的电化学工作站应是便携式的呢，还是固定系统？ 您需要单个的电化学工作站还是多通道的测试系统？ 不过，单个设备是不能够满足所有的要求的，特别是当你把投资成本看成一个同样重要的因素。规格说明书会告诉您这台仪器能够做什么，帮助您缩小适合的仪器选择范围。根据您想要做的，一些技术参数的相关度会更高。扪心自问：您了解规格说明书里所有参数的含义吗？您能够根据您的需求按优先值进行购买吗？ 在以下的章节，我们将尝试对这些问题做一些说明。我们会向您解释电化学工作站规格说明书里出现的典型参数。由于大多数术语与具体的电化学工作站元件直接相关，该技术报告主要关注的是电化学工作站的安装和基本功能部分。

理解iR补偿

在Gamry听到的一些最常见的技术问题都与iR补偿有关– 未补偿的iR是哪来的？ 我需要在我的实验中用iR补偿吗？ 我应该如何设置iR补偿参数？ 为什么iR补偿在我的系统中不能运行呢？ 在这个技术报告中，我们将尝试回答这些问题，让您对iR补偿有一个基本的了解。 背景 一些初级背景信息描述了iR误差大体的情况。后面的内容主要集中于介绍用于测量和修正iR误差的“电流截断”iR补偿方法。正反馈iR补偿有提到，但是没有具体讨论。 如果您对电化学阻抗的基本原理有一些了解的话，也有帮助。在我们的网页上有Primer on Electrochemical Impedance可以查阅。请特别注意一下，典型化学过程是如何被映射到电路元件中的。

电化学工作站原理

电化学工作站（图1）是一种控制工作电极和参比电极之间电位差的电子仪器。其中，工作电极和参比电极都是电化学电解池里的组成部分。电化学工作站通过向辅助电极或对电极中注入电流来控制工作电极和参比电极两者间的电位差。 在几乎所有的应用中，电化学工作站测量的都是流经工作电极和对电极之间的电流。电化学工作站中的控制变量是电位，测量变量是电流。

大电流脉冲用于电池研究

测试电池和电池材料的性能有许多不同的方法，传统方法包括长期循环确定循环寿命和容量衰减；电化学阻抗谱（EIS）分析内部电阻、电容和其他特性；恒电位/恒电流间歇滴定技术（PITT / GITT）研究扩散速率、漏电流及自放电，还有很多其他的技术，但这些都建立在大量测试的基础之上。 为了模拟真实的电池使用状况和电池管理，最近人们对电池快速、大电流脉冲研究感兴趣。当使用一系列脉冲来模拟城市驾车过程中的启动和停止时，将得到许多新信息。这些脉冲大约在100微秒到100毫秒之间完成，其驱动电池的方式与通常的直流充电/放电不同，常规方法很难满足实际要求。 Gamry仪器早已能够做到快速、大电流脉冲，例如Reference 3000电化学工作站和Reference 30k Booster电流放大器，这两者结合可以使脉冲在微秒量级时间内达到30A。当然，我们的设备可以实现，并不意味着你的电池也可以。本应用报告旨在表明我们的设备可以处理这些苛刻的应用，过后仍需要您进一步研究，看看电池是否可以响应这些类型的脉冲。

涂层金属材料的电化学阻抗谱

经过一定的时间，水会穿透涂层并在涂层下形成一个新的液体/金属界面。腐蚀现象 会在这个新界面处发生。 涂层金属的阻抗得到了广泛的研究。失效涂层阻抗数据的解释是非常复杂的，所以本文仅讨论图22所示的简单等效电路。即便是这个简单模型在文献中也有一些争议。研究人员对发生在电解池中的物理过程的阻抗分配没有达成一致。因此，下文中的讨论只是这个模型众多解释中的一种。

常见等效电路模型

以下部分我们将介绍一些常用的等效电路模型。这些模型可用来解释简单的电化学阻抗数据。许多这些模型已被列为Gamry EIS300 电化学阻抗谱软件的标准模型。

等效电路元件

电化学阻抗数据通常是通过拟合等效电路模型分析得到的。模型中大多数电路元件都是通用电气元件，例如电阻，电容和电感。模型中的元件应具有物理电化学原理。例如诸多模型都用电阻来模拟测试系统的溶液电阻。

电化学阻抗谱原理

电化学阻抗是通过在电路上施加交流电位，测量电流得到的。假设施加正弦波电位激发信号，对应此电位响应的是交流电流信号。此电流信号可用正弦方程的总和来分析（傅里叶级数）。电化学阻抗通常用很小的激发信号测得。因此，电极的响应是非线性的。在线性（或非线性）系统中，对应正弦波电位信号响应的电流在同样频率也是正弦波信号，除了相位有所移动（见图一）。更多细节将会在以后内容中描述。

了解神秘的传输线模型

Porous electrodes offer a high surface area to volume or weight ratio which is highly beneficial to a number of energy generation or storage devices. (e.g. Dye-Sensitized Solar Cells, Super-Capacitors, Fuel Cells, etc). Transmission lines are heavily used in modeling in Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) experiments where porous systems are employed. Though transmission lines are commonly used, an introductory paper was hard to find. This paper is intended to serve that purpose. It assumes basic knowledge of EIS and modeling using equivalent circuits as covered in our EIS application note.

关于参比电极

For reliable Reference Electrode performance, you should assign a “Lab Master” and treat it very, very carefully so it can serve as a standard for your other Reference Electrodes. Never use the Lab master in an actual experiment. The only purpose of the Lab Master is to serve as a check for the other reference electrodes. If a reference electrode is suspected to be bad, you can check the potential versus the Lab Master. You can do that with a voltmeter, or with your Gamry Potentiostat as described in our “Checking the Potential of Your Reference Electrode” App Note. If the potential difference is less than 2-3 mV, it's OK. If it's higher than 5 mV, it needs to be refreshed or discarded.

如何检查参比电极的电阻

参比电极的电阻值是否正常将直接影响实验曲线。 It's very important for optimum potentiostat performance that the impedance of the Reference Electrode in your cell is low! A high impedance Reference Electrode will cause problems that range from simple overloads to potentiostat oscillation. When in doubt...check your Reference Electrode. For Gamry users, be aware that the Reference Family Potentiostats are less tolerant of high-impedance Reference Electrodes than the Series G Potentiostats. The Reference Family is designed for high-performance and high-speed and it does not appreciate a Reference Electrode with a high impedance! The