Impedanzspektroskopie

Impedanzspektroskopie, auch elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), ist eine Methode zur Charakterisierung der frequenzabhängigen Impedanz eines elektrochemischen Systems. Bei der Messung wird in einem arbeitenden Elektroden-System eine kleine Wechselspannung perturbiert und die resultierende Strömung sowie das gemessene Potential erfasst. Aus dem komplexen Impedanzwert Z(ω) = V(ω)/I(ω) über einen weiten Frequenzbereich werden Rückschlüsse auf elektrochemische Prozesse gezogen.

Die Frequenzen reichen typischerweise von Millihertz bis Megahertz; niedrigere Frequenzen liefern Informationen zu Massentransport und Diffusion, höhere Frequenzen zu Ladungstransfer und Kapazitivität. Typische Darstellungen sind Nyquist-Plots (Re Z gegen Im Z) und Bode-Diagramme (Betrag bzw. Phase gegen Frequenz). Die erzeugten Impedanzspektren ermöglichen eine Aufschlüsselung in einzelne Prozesse, wie Doppelschichtkapazität, Charge-Transfer-Widerstand und Diffusionsimpedanz.

Zur Interpretation werden äquivalente Schaltungen verwendet, z. B. Widerstände, Kondensatoren, Konstantphasen-Elemente (CPE) und Warburg-Elemente. Das passende Modell wird an das gemessene Spektrum angepasst und liefert Größen wie den Charge-Transfer-Widerstand, die effektive Kapazität der Doppelschicht sowie Diffusionsparameter. Die Messung basiert auf einer kleinen, linearen Störung um einen Betriebszustand und setzt damit eine lineare Antwort voraus.

Instrumentation und Setup umfassen Frequenzgang-Analysegeräte oder Frequenzgang-Potentiostaten, Referenz- und Arbeits- sowie Gegenelektroden, sowie Methoden zur Kompensation von ohmschen Widerständen und zur Temperatursteuerung. Anwendungen finden sich in der Korrosionsforschung, Batterien und Superkondensatoren, Brennstoffzellen, Sensorik und Biowissenschaften.

Vorteile liegen in der Nichtinvasivität, der breiten Frequenzabdeckung und der mechanistischen Einsichten. Einschränkungen ergeben sich aus der Notwendigkeit linearer Antworten, der Nicht-Eindeutigkeit mancher Modelle und Artefaktbildung durch unkompensierte Widerstände oder Oberflächenveränderungen.