交流阻抗-固体氧化物燃料电池
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4
交流阻抗谱的数据分析
直接读取数据 基于等效电路模型（ECM）的拟合 电化学阻抗模型（EIM） 微分阻抗分析（DIA） 态空间模型
阻抗谱技术在SOFC研究中的应用实例之一 ——电解质材料研究
目标：提高离子电导率；降低导电活化能；提高离子迁移数
影响因素：
材料体系与晶体结构 载流子类型
掺杂元素、掺杂量
什么是交流阻抗谱（IS）？
u(t) Umax
交流电电压 （幅度，相位）
O
U(t ) U max e jt -Umax
t
T
T
i(t)
Imax
t
O
T
元器件(R、C、 L等）网络
复阻抗
-Imax
交流电电流
改变频 率测量
（幅度，相位）
I(t) Imax e j(t )
阻抗谱
Z
U(t) I(t)
Ze j
0.67
X=0.10
0.89 1.44 2.21 3.17 0.85
0.64
X=0.15
0.69 1.21 1.96 2.89 0.85
0.71
X=0.20
0.63 1.17 1.93 2.97 0.98
0.77
600 C预烧、在不同温度烧结的Ce0.8Sm0.1Y0.1O1.9电解质 晶粒、晶界电导率的Arrhenius图
850C 7.11 7.65 8.53 8.38 8.19 7.33
300-650C 650-850C
0.99
0.95
0.99
0.96
1.00
0.97
源自文库1.00
0.98
1.02
0.98
1.03
0.90
Ce0.8Sm0.2-xYxO1.9 系列电解质的电导率和活化能
Ce0.8Sm0.2-xYxO1.9
106~100 10~100
105~10-3 5~20
积分 时间(s) 或次数
~100s
1~10 次
单电池或 105~10-3 5~20 电池堆
1~10次 (低频)
直流 偏置
不必 可选
可选
极化 电流 （A）
不必
可选 10-6~100
可选 10-6~100
耦合 方式
AC DC
DC
接线 方式
2 或4 2或 3
接WE
接CE 接RE
工作电极（WE）：使用被研究的电极材料
参考电极（RE）：稳定可靠的电极材料
（如果变气氛测试，RE最好和WE用同样的材料）
对电极（CE）：Ag、Pt等贵金属材料，也可与WE相同 注意：电极的布置非常重要！
阻抗谱测量的参数选择
测量类型
离子导体 电极
频率 范围
(Hz)
交流 幅度
(mV)
较高阻器件，电解质+电极界面，对称电极测量
电极极化阻抗测量，可扣欧姆极化，能在极化条 件下测量阻抗谱 低阻器件，电池性能与阻抗谱，消除了引线电阻
(a) IH VH VL IL
(c) WE
RE
CE
电极 屏蔽电缆
(b) IH VH VL IL
(d) WE RE
CE 金属线
（e） 工作电极 参考电极
电解质 对电极
方 法
✓锁相放大器——信号源+锁相放大器
✓相关检测技术——阻抗分析仪（+电化学界面）
变换 Laplace
F(s) F(t)estdt 0
时
或 Fourier F(j) F(t)ejtdt
域
暂态过程
方
法
随时间变化的电流和
电压信号快速采集
阻抗谱测量方式与参数选择
➢二电极法 ➢三电极法 ➢四电极法
交流阻抗谱技术用于固体氧化物 燃料电池的研究
报告内容
什么是交流阻抗谱（IS）？ 交流阻抗谱的测量技术 阻抗谱测量的测量方式与参数选择 交流阻抗谱的数据分析 阻抗谱技术在SOFC研究中的应用实例
• 电解质新材料研究 • 器件制备工艺研究 • SOFC电极极化研究 • SOFC单电池与电池组（堆）的阻抗谱
Cg:10-12~10-10F
Cgb:10-10~10-7F
3000 4000 5000 6000 7000 8000
Z' ( Ωcm 2 )
Cdl:10-6~10-3F
晶粒电阻 晶界电阻
电极-电解质界面电阻
20 1
15 0
10 -1
0
1
5
0
0
5
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
Z' ( Ωcm 2 )
Electrical conductivity σ (S.cm-1×10-2)
550 600 650 700
Activity energy E (eV)
250-550 550-750
C C C C
C
C
X=0
0.77 1.36 2.10 2.89 0.86
0.69
X=0.05
0.84 1.40 2.22 3.16 0.84
Z ' jZ''
ZR R
ZC
1
jC
j
C
ZL jL
Z”
ZL
ZC
ZR//C
R jCR2 1 2C2R2
ZR
Z’
-Z’’
(a)
|Z|
(b)
-
|Z()|
Z’
复平面阻抗谱图（Niquist图）
lg
Bode图
交流阻抗谱的测量技术
频 ✓交流电桥——宽频数字电桥
域 ✓示波器李萨如图——信号源+示波器（XY记录仪）
550oC 650oC 700oC 750oC 850oC
35
40
Ce0.8La0.2-xYxO1.9系列电解质的电导率和电导活化能
样品
x=0 x=0.02 x=0.06 x=0.10 x=0.14 x=0.20
电导率, σ (S.cm-1 ×10-2)
活化能 (eV)
550C 600C 650C 700C 750C 800C 0.25 0.55 1.04 1.83 3.04 4.74 0.27 0.57 1.09 1.94 3.20 5.08 0.29 0.61 1.17 2.11 3.58 5.64 0.28 0.59 1.13 2.07 3.51 5.53 0.27 0.58 1.11 2.04 3.45 5.41 0.31 0.64 1.18 2.04 3.31 5.02
Ce0.8La0.1Y0.1O1.9电解质在300～800C温度下的阻抗谱
4000 80
40 3000
0
0
100
2000
1000
0
0
1000 2000
频率：910kHz~0.5Hz
AC信号幅度：50mV
200
300
400
300oC 350oC
500
600
400oC 450oC 500oC
RC vs. 1/f
合成方法
样品处理工艺
例：La、Y双掺杂氧化铈 Sm、Y双掺杂氧化铈
Xueqing Sha, Zhe Lü, et al. J. Alloys Compds., 428 (2007): 59–64 ; 424（2006）315-321 ;
433 (2007) 274–278
Z" ( Ωcm 2 ) Z" ( Ωcm 2 )
交流阻抗谱的数据分析
直接读取数据 基于等效电路模型（ECM）的拟合 电化学阻抗模型（EIM） 微分阻抗分析（DIA） 态空间模型
阻抗谱技术在SOFC研究中的应用实例之一 ——电解质材料研究
目标：提高离子电导率；降低导电活化能；提高离子迁移数
影响因素：
材料体系与晶体结构 载流子类型
掺杂元素、掺杂量
什么是交流阻抗谱（IS）？
u(t) Umax
交流电电压 （幅度，相位）
O
U(t ) U max e jt -Umax
t
T
T
i(t)
Imax
t
O
T
元器件(R、C、 L等）网络
复阻抗
-Imax
交流电电流
改变频 率测量
（幅度，相位）
I(t) Imax e j(t )
阻抗谱
Z
U(t) I(t)
Ze j
0.67
X=0.10
0.89 1.44 2.21 3.17 0.85
0.64
X=0.15
0.69 1.21 1.96 2.89 0.85
0.71
X=0.20
0.63 1.17 1.93 2.97 0.98
0.77
600 C预烧、在不同温度烧结的Ce0.8Sm0.1Y0.1O1.9电解质 晶粒、晶界电导率的Arrhenius图
850C 7.11 7.65 8.53 8.38 8.19 7.33
300-650C 650-850C
0.99
0.95
0.99
0.96
1.00
0.97
源自文库1.00
0.98
1.02
0.98
1.03
0.90
Ce0.8Sm0.2-xYxO1.9 系列电解质的电导率和活化能
Ce0.8Sm0.2-xYxO1.9
106~100 10~100
105~10-3 5~20
积分 时间(s) 或次数
~100s
1~10 次
单电池或 105~10-3 5~20 电池堆
1~10次 (低频)
直流 偏置
不必 可选
可选
极化 电流 （A）
不必
可选 10-6~100
可选 10-6~100
耦合 方式
AC DC
DC
接线 方式
2 或4 2或 3
接WE
接CE 接RE
工作电极（WE）：使用被研究的电极材料
参考电极（RE）：稳定可靠的电极材料
（如果变气氛测试，RE最好和WE用同样的材料）
对电极（CE）：Ag、Pt等贵金属材料，也可与WE相同 注意：电极的布置非常重要！
阻抗谱测量的参数选择
测量类型
离子导体 电极
频率 范围
(Hz)
交流 幅度
(mV)
较高阻器件，电解质+电极界面，对称电极测量
电极极化阻抗测量，可扣欧姆极化，能在极化条 件下测量阻抗谱 低阻器件，电池性能与阻抗谱，消除了引线电阻
(a) IH VH VL IL
(c) WE
RE
CE
电极 屏蔽电缆
(b) IH VH VL IL
(d) WE RE
CE 金属线
（e） 工作电极 参考电极
电解质 对电极
方 法
✓锁相放大器——信号源+锁相放大器
✓相关检测技术——阻抗分析仪（+电化学界面）
变换 Laplace
F(s) F(t)estdt 0
时
或 Fourier F(j) F(t)ejtdt
域
暂态过程
方
法
随时间变化的电流和
电压信号快速采集
阻抗谱测量方式与参数选择
➢二电极法 ➢三电极法 ➢四电极法
交流阻抗谱技术用于固体氧化物 燃料电池的研究
报告内容
什么是交流阻抗谱（IS）？ 交流阻抗谱的测量技术 阻抗谱测量的测量方式与参数选择 交流阻抗谱的数据分析 阻抗谱技术在SOFC研究中的应用实例
• 电解质新材料研究 • 器件制备工艺研究 • SOFC电极极化研究 • SOFC单电池与电池组（堆）的阻抗谱
Cg:10-12~10-10F
Cgb:10-10~10-7F
3000 4000 5000 6000 7000 8000
Z' ( Ωcm 2 )
Cdl:10-6~10-3F
晶粒电阻 晶界电阻
电极-电解质界面电阻
20 1
15 0
10 -1
0
1
5
0
0
5
2
3
4
5
6
10
15
20
25
30
Z' ( Ωcm 2 )
Electrical conductivity σ (S.cm-1×10-2)
550 600 650 700
Activity energy E (eV)
250-550 550-750
C C C C
C
C
X=0
0.77 1.36 2.10 2.89 0.86
0.69
X=0.05
0.84 1.40 2.22 3.16 0.84
Z ' jZ''
ZR R
ZC
1
jC
j
C
ZL jL
Z”
ZL
ZC
ZR//C
R jCR2 1 2C2R2
ZR
Z’
-Z’’
(a)
|Z|
(b)
-
|Z()|
Z’
复平面阻抗谱图（Niquist图）
lg
Bode图
交流阻抗谱的测量技术
频 ✓交流电桥——宽频数字电桥
域 ✓示波器李萨如图——信号源+示波器（XY记录仪）
550oC 650oC 700oC 750oC 850oC
35
40
Ce0.8La0.2-xYxO1.9系列电解质的电导率和电导活化能
样品
x=0 x=0.02 x=0.06 x=0.10 x=0.14 x=0.20
电导率, σ (S.cm-1 ×10-2)
活化能 (eV)
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Ce0.8La0.1Y0.1O1.9电解质在300～800C温度下的阻抗谱
4000 80
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100
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频率：910kHz~0.5Hz
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300oC 350oC
500
600
400oC 450oC 500oC
RC vs. 1/f
合成方法
样品处理工艺
例：La、Y双掺杂氧化铈 Sm、Y双掺杂氧化铈
Xueqing Sha, Zhe Lü, et al. J. Alloys Compds., 428 (2007): 59–64 ; 424（2006）315-321 ;
433 (2007) 274–278
Z" ( Ωcm 2 ) Z" ( Ωcm 2 )