impedansanalys

Impedansanalys är en metod för att undersöka hur elektriska system svarar på växelström över ett brett frekvensområde. Inom elektrokemisk impedansanalys används ofta termen impedansspektroskopi. Impedansens komplexa natur beskrivs som Z(ω) = V(ω)/I(ω) = Z' + iZ'', där Z' är den reala (resistiva) delen och Z'' den imaginära (reaktiva) delen. Vanliga representationsformer är Nyquist-ploten, där Z'' avbildas mot Z', samt Bode-diagram, som visar magnituden |Z| och fasvinkeln φ mot frekvensen.

I elektrokemiska system uppträder olika impedanskomponenter som kan modelleras med ekvivalenskretsar. Exempel är solutionsresistansen Rs, laddningstransferresistansen Rct, dubbel-lagerkapacitans Cdl och diffusionens komponent, ofta beskriven som Warburg-impedans Zw. En vanlig enkel modell är Randleskretsen, som består av Rs i serie med en parallell koppling av Rct och Cdl (ibland ersatt av en konstant fas-element, CPE, för att fånga ytens nonidealitet).

Experimentellt genomförs impedansanalys med en potentiostat/galvanostat genom att applicera en liten växelspänningsperturbation över ett frekvensområde från låga till höga frekvenser. Typiska amplituder ligger i området några millivolt. Data tolkas genom att passa till en eller flera ekvivalensmodeller för att extrahera kinetiska parametrar (t.ex. Rct) och massöverföringsfaktorer (t.ex. Zw), eller genom modellfria tolkningar av Nyquist- och Bode-plotar.

Användningsområden inkluderar batterier och superkondensatorer, bränsleceller, korrosion, sensors och elektrodrivna ytförändringar. Impedansanalys är därför ett värdefullt verktyg för karaktärisering, diagnos och övervakning av elektrokemiska system och material.