电化学阻抗系列 2：电化学阻抗到底是什么？

2.1 定义与解释

阻抗定义：在具有电阻、电感和电容的电路中，端口的电压（U）与电流相量（I）的比值，称作阻抗（Z）。

电化学阻抗（Electrochemical Impedance Spectroscopy， EIS）：是一种用于研究电极/电解质界面电化学过程的技术。它通过施加一个小幅度的正弦交流电信号，测量系统对不同频率电信号的响应，进而获得关于电极反应动力学、界面结构以及腐蚀过程等信息。

（1）电化学阻抗的主要目的是通过电化学的方式来探讨此“黑匣子”到底是怎么样的？和电化学反应过程有什么关系？

（2）电流传递/电荷转移之所以产生阻碍，主要是由于电极/电解质界面存在电阻/电容等导致的（溶液电阻可忽略）。

2.2 阻抗与导纳

电化学阻抗分析的具体依据是基本电化学原理，如图所示：

图(a)是用一个正弦波电流信号对一个线性系统进行扰动，而线性系统的响应则是一个正弦波的电压信号，对于电极系统来说，就是用一个正弦波的电流密度来使电极极化，而响应则是同一频率正弦波的极化值信号；也可以说对一个线性系统输入一个正弦波电流信号，线性系统相应地输出了一个正弦波的电压信号，如线性系统是电极系统，就是电极系统输出了一个正弦波的极化值信号。也可以像图(b)表示的那样，对一个线性化的电极系统输入一个正弦波的极化值扰动，电极系统输出一个正弦波的极化电流密度响应。

图(a)上的输出ΔE除以输入ΔI，称为阻抗(impedance)

而图(b)上的输出ΔI除以输人 ΔE，称为导纳(admittance)。

所以阻抗与导纳互为倒数，Z=1/Y。

2.3 电化学阻抗

为研究此“黑匣子”中的电化学反应过程以及电极/电解质界面的化学反应变化，我们通过外加扰动的方法来给出一个输入信号，同时对输出的响应电信号进行采集分析，以深入分析电极/电解质界面反应。

当电化学阻抗测试时，给一个小幅度的正弦交流电信号扰动：

（1）若此“黑匣子”中的电子元件是一个纯电阻，对于纯电阻电路，电压和电流同相，意味着它们的波形同步，如图中所示，电压V(t) 和电流 I(t)是同步变化的，无相位差变化。

此时，电阻的阻抗等于它的电阻值： Z_R=R。

（2）若此“黑匣子”中的电子元件是一个双电层电容，则电流波形相对于电压波形提前90°，如图中所示电流相对于电压的超前相位，相位差为π/2。

此时，电容的阻抗和角频率、电容相关，。

（3）若此“黑匣子”中的电子元件不是单一元件，而是由电阻、电容通过串联、并联的方式构成复杂的电子元件。其中如图所示的简单串联电路，其电流、电压不同步，且相位差不是0也是90°，而是介于两者之间。

此时，阻抗与纯电阻和电容频率均相关，，其阻抗真值表示方法类似于一个向量。

如上图所示，正弦波交流信号具有矢量的特性，可以用表示矢量的方法来表示正弦波信号。那同样在电化学阻抗当中，其也属于正弦波交流信号，因此同样可以采用矢量的方式来进行电化学阻抗的表示，如下图所示：

2.4 电化学阻抗与界面反应关系

电化学阻抗测试得到相应的电化学信号信息，对结果进行拟合分析等，以得到相应的等效电路图，然后分析推断界面反应/界面性质等信息。