电化学阻抗谱物理模型求解方法

摘要

电化学阻抗谱(EIS)是一种常用的电化学测试方法。通过EIS可以获取研究体系的各种动力学信息,比如电荷转移,双电层充电和物质传输等。EIS数据的解析依赖于合理的模型,常见的模型分为等效电路模型和物理模型。本文简要介绍了EIS物理模型三种常见的求解方法:解析求解,时域数值方法和频域数值方法。我们首先以一个经典的带有法拉第反应的双电层界面为例,仅考虑扩散控制传质的情况下,推导了相应的解析解,介绍了数值求解EIS的时域方法和频域方法,并对比了不同方法的结果。然后,我们以电池中常见的金属离子沉积反应为例,给出了零电荷电势下的EIS的解析解,并对比了两种数值方法的求解精度,同时我们也对比了不同价态的金属离子的EIS结果。计算结果表明,频域数值方法的精度高于时域数值方法,可以作为EIS数值求解的首选。保持其余参数不变的情况下,高价离子的EIS小于低价离子。最后,我们总结对比了三种方法的优缺点。本工作研究结果一方面可以作为EIS物理模型的入门指南,另一方面可以用于分析金属离子沉积反应的EIS结果。