快速檢查EIS系統性能
引言
大頻率是電化學阻抗譜（EIS）測試儀器的一個重要參數。大多數EIS制造商在說明書中列出1MHz的大頻率。但是，一些制造商的技術參數虛報了真實的系統性能。很多EIS儀器被測量1 MHz的阻抗時可以施加1 MHz的信號，然后測量響應—這樣做的時候會有巨大的誤差。
該技術報告能幫助您快速評估任意EIS儀器的性能。您可以用它簡單有效地比較不同的阻抗系統。在購買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限大阻抗的電解池上運行恒電位模式所得；另一個是在阻抗值近乎為零的阻抗上運行恒電流模式所得。
Gamry公司很樂意為您提供關于如何建立您自己的“測試電阻組件”的相關準確測量信息。請給我們打電話或發郵件詢問關于建立“EIS檢測電阻”的情況。
所有高品質EIS系統都應該可以使用四端連接方式連接到電解池。在這個常用的組合里，四條導線與被測樣品相連。兩條導線施加電流，兩條導線測量電位。阻抗可以通過測得的電位與電流的相除計算得到。沒有四端連接，EIS阻抗譜不能夠精確地測量。
如果您的系統不能夠進行四端連接時，您該怎么辦呢？將參比導線以任意適當的方式連向對電極。不過別指望能得到高質量的結果。
這個文件包含了安置電纜線的詳細信息。纜線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。
實驗裝置
1 kΩ電阻
1 kΩ電阻用三個棕色和兩個黑色的色帶標記：
（棕色，黑色，黑色，棕色，棕色）
與1 kΩ電阻的連接方式很簡單：如圖1 所示。將工作和工作傳感線連到電阻的一端，參比和輔助線連到另一端。導線間保持4厘米的距離以減小電容耦合。
圖1 1 kΩ電阻接線方式
Gamry的電解池導線顏色列于下表中。
Color | Lead | Function |
Green | Working Electrode | Current Flow |
Blue | Working Sense | Voltage Sense |
White | Reference Electrode | Voltage Sense |
Red | Counter Electrode | Current Flow |
表1 電解池導線的顏色和功能
測量電阻的EIS阻抗譜用20 mVrms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電阻有三個黑色和兩個棕色帶：
（棕色，黑色，黑色，黑色，棕色）
布線對100 Ω電阻的無互感阻抗譜至關重要。將參比和工作傳感線絞纏在一起，然后把它們連在非常靠近電阻的地方。輔助和工作導線也絞纏在一起。它倆從另外一側連到電阻上，如圖2所示。
圖2 100 Ω電阻接線方式
測量電阻EIS阻抗譜用20 mVrms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 一個有紅色帶的電阻。
將工作和工作傳感線連到電阻的一端，參比和輔助線連到另一端。導線間保持較遠的距離以減小電阻上的電容。我們測量了兩個距離10 cm的鯊魚夾之間的電容為0.25 pF：足夠引起1 MHz處0.9º的相位誤差。
下圖說明了一個非常低電容的連線方式。
圖3 10 kΩ電阻連線方式
測量電阻的EIS阻抗譜用20 mVrms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
開路測試
對于這個測試，理想的電解池應有無限大的阻抗。電池導線間的一個大的空氣間隙接近這個理想。
將工作和工作傳感絞纏在一起，然后放置進法拉第籠。法拉第籠必須與電化學工作站的接地線相連。將參比電極和輔助導線連在一起。用Gamry EIS系統時，這些導線可以留在法拉第籠的外面。
| 注意：使用其他系統時，輔助和參比電極留在法拉第籠外面可能會導致過度噪音。如果真的發生了，請將導線移進籠中。導線對之間的距離應至少保持20 cm。 |
請記錄這個開路裝置的恒電位EIS阻抗譜。我們推薦使用50 mVrms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
對于這個測試，理想的電解池阻抗應為零。電池導線間短路接近這個理想。在短路測試中，電解池導線的放置和導線間的連接方式至關重要。
| 注意：用銅編織帶代替能提供您一個好的低阻抗連接。把鱷魚夾夾在一起常給我們帶來多于500μΩ的接觸電阻。 |
圖4 短路連接方式
絞纏參比和工作傳感線，然后把它們夾到銅編織帶的一端。絞纏輔助和工作導線，然后把它們夾到銅編織帶的另一端。布線方式如圖4所示。
工作傳感和參比導線是連接中里面的一對。除了銅編織帶連接方式，不要讓線夾引線有觸碰。
| 注意：短路測試必須用恒電流電解池控制。如果您的EIS系統沒有提供，恒電位模式沒有用。 |
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曲線展示了由Gamry Reference 600電化學工作站測得的三個電阻的EIS阻抗譜。圓圈代表阻抗模，十字是相位角。
圖5 三個電阻的Bode曲線
理想電阻的阻抗值與頻率無關，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較差的EIS系統記錄的。這個EIS系統聲稱在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
開路結果
開路阻抗是EIS系統能夠測量的高阻抗。所有的真實樣品上測得的阻抗譜包含了樣品的阻抗及與其并聯的開路阻抗。當您比較不同EIS系統記錄的開路阻抗譜時，阻抗越高越好。
圖 7 開路測試
圖7中的Bode曲線是用Gamry Reference 600電化學工作站測得的開路阻抗譜。在一個廣泛的頻率范圍，它看起來像一個小電容器的阻抗譜。
用一個電容器模型在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。
這個系統在低頻的阻抗超過10 TΩ（1×1013 Ω）。很多EIS系統的低頻開路阻抗低于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EIS系統能測的小組抗值。所有真實樣品上測得的阻抗譜包含了樣品的阻抗及與其串聯的開路阻抗。當您比較不同EIS系統記錄的短路阻抗譜時，阻抗越小越好。
圖8 短路結果
圖8中的Bode曲線是用Gamry公司EIS系統和Reference 600電化學工作站測得的短路阻抗譜。電解池導線被夾在一個銅編織帶上。直流電流大小為300 mArms。
這個阻抗譜與一個電阻為30 μΩ和電感為42 nH的串聯模型擬合良好。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。
3.6 mm的電阻式路徑看起來是有道理的。
| 注意：這個短路阻抗譜是由每個Reference 600電化學工作站都會提供的標準60 厘米長電解池纜線測得的。顯然，使用Gamry為Reference 600配的特殊低阻抗纜線將會得到更小的互感。 |
短路測試闡明了在測量非常小的阻抗時的一些困難。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。您不能忽視金屬連接的電阻。
其他EIS系統測到的短路曲線可能看起來差不多。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比較兩個EIS系統，請確保您比較的是兩個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意的開路和短路阻抗譜。
這些測試也會驗證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反應響應區分開來。
