動態交流阻抗測量的核心在于通過小幅度交流信號激發系統響應,并分離實部(電阻)與虛部(電抗)信息。其原理基于線性系統理論:當施加的交流電壓或電流振幅足夠小(通常為毫伏級),系統響應與激勵信號呈線性關系,此時可通過傅里葉變換將時域信號轉換為頻域阻抗譜。例如,在測量鋰電池電極時,若施加10mV的正弦波電壓,電極的電流響應會因電荷轉移阻力、離子擴散阻力等因素產生相位差,阻抗譜則通過記錄不同頻率下的阻抗值(模值與相位角)來反映這些物理過程。
交流信號的頻率掃描是動態測量的關鍵。低頻信號(如0.01Hz)能探測材料內部的離子擴散過程,而高頻信號(如100kHz)則反映電子傳輸或界面雙電層電容特性。例如,在測量涂層防腐性能時,高頻段阻抗值可反映涂層表面的致密性,而低頻段阻抗變化則揭示涂層下金屬基體的腐蝕傾向。
動態測量的優勢在于其“動態”特性。與直流方法相比,交流信號不會改變材料內部的平衡狀態,因此可連續監測同一樣品在不同條件下的性能演變。例如,在電池充放電循環中,動態交流阻抗測量能實時捕捉電極材料因結構變化導致的阻抗波動,為容量衰減機制研究提供直接證據。
在電池領域,動態交流阻抗測量是評估電極材料與電解液兼容性的核心工具。例如,鋰離子電池的充放電過程涉及鋰離子在正負極材料中的嵌入/脫出、電解液中的遷移以及電極/電解液界面的電荷轉移。通過動態測量,可分離出歐姆電阻(電解液、集流體等)、電荷轉移電阻(電極反應動力學)和Warburg阻抗(離子擴散)的貢獻。
生物傳感器與電化學催化領域同樣依賴動態交流阻抗測量。在生物傳感器中,阻抗變化可反映生物分子(如酶、抗體)在電極表面的固定效果及與目標物的特異性結合。
動態交流阻抗測量的操作流程通常包括樣品制備、測試條件設置與數據采集三個步驟。樣品制備需確保電極表面平整、清潔,并控制電解液成分與濃度。例如,在電池電極測量中,需將電極片裁剪為統一尺寸,并在手套箱中組裝成對稱電池或半電池;在腐蝕研究中,則需將金屬試樣打磨至鏡面,并浸泡于特定pH值的腐蝕液中。