交流阻抗技术测量聚合物电解质离子电导率

-p
-p
Zcpe=K（j ω） = Kω [cos（pπ/2 ） -j （sin （pπ/2 ））
其中， 0≤p≤1，K 为常数 将固定相元 cpe 引入聚合物电解质测定的等效电路中能较好地解释图 2 与图
3 阻抗图谱的不同。（具体推导过程略）在低频区阻抗图上，是一条与实轴相交 于 O（Rb， 0）点并与实轴 呈 pπ/2 角度的一条直线，在高频区为一旋转放大的 半圆 .
实验 交流阻抗技术测量聚合物电解质离子电导率
一、实验目的
1、了解交流阻抗技术原理及应用 2、应用交流阻抗技术测定聚合物电解质离子电导率
二、实验原理
交流阻抗法是一种以小振幅的正弦波电位（或电流）为扰动信号，叠加在外 加直流电压上， 并作用于电解池。 通过测量系统在较宽频率范围的阻抗谱， 获得 研究体系相关动力学信息及电极界面结构信息的电化学测量方法。 例如，可从阻 抗谱中含有时间常数个数及其大小推测影响电极过程的状态变化情况， 可以从阻 抗谱观察电极过程中有无传质过程的影响等。
Z1= 1
Rb 2Cg2Rb2
（5）
而式（ 3）简化为
C
2 g
Rb2
-Z＂= 1 2Cg2 Rb2
（ 6）
将式（ 5）与式（ 6）中的 ω削去可得
(Z ' Rb / 2) 2 ( Z ") 2 Rb2 / 4
（7）
式（7）表示的是一个以（Ｒ ｂ/2 ，0）为圆心，Ｒ ｂ/2 为半径的圆方程。在复 平面图上表现为一个半圆。
综合式（ 4）和（ 7），与图 1 对应的阻抗图谱如图 2 所示。 该阻抗图是一个 标准的半圆（高频部分） ，外加一条垂直于实轴 Z1的直线（低频部分） 。
图 2 与图 1 等效电路对应的阻抗图谱
由图 2 中直线与实轴的交点， 可求出本体电解质的电阻值 Rb 。通过测定测试 电池的电极面积 A 与聚合物电解质膜的厚度 d，即可求的该导电聚合物的电导率：
图 3 聚合物电解质阻抗图
三、实验步骤
将一定尺寸聚合物电解质膜夹在两片金属电极间， 连接好测量线路 2、在电化学综合测试仪 Solartron SI1287+SI1260上测定样品的交流阻抗谱。 频率范围从 1Hz 到 105Hz 3、由交流阻抗图谱中 尾线与实轴的交点 ，读取聚合物电解质的 本体电阻 ， 计算该聚合物电解质的电导率。
Z
Cd2l Rb (C g Cdl )2 2 Cd2l C 2gRb2
j
Cg Cdl 2Cd2l Cg2Rb2 (Cg Cdl )2 3Cd2l C 2gRb2
其中，实部：
Cd2l Rb
Z1= ( Cg Cdl ) 2 2Cd2l Cg2 Rb2
虚部：
-Z＂=
Cg Cdl 2Cd2l Cg2 Rb2 ( Cg Cdl ) 2 3Cd2l Cg2 Rb2
本实验采用交流交流阻抗技术测量聚合物电解质离子电导率。 基本测试电池 回路的等效电路示于图 1。其中Ｃ ｄｌ是双电层电容，由电极／电解质界面的相反 电荷形成， Ｃｇ是两个平行电极构成的几何电容， 它的数值较双电层电容Ｃ ｄｌ 小。 Ｒ ｂ为电解质的本体电阻 。
图 1 测试电池的等效电路 由图 1 等效电路计算得相应的阻抗值：
d Rb
A
（
-1
s.cm
）
在实际聚合物电解质电导率测量中， 通常得到的是由 压扁的半圆和倾斜的尾 线组成 ，如图 3 所示。因此 仅用电阻和电容组成的等效电路 ，不能很好的解释 电极 /电解质界面双电层。近年来，人们采用固定相元 cpe 作为等效元件来解释 阻抗数据。
所谓固定相元 cpe，可想象为一个 漏电容，其性质介于电阻与电容之间 ，其 阻抗表达式为：
在低频区 ω→0，式（ 2）简化为
Cd2l Rb Z1= ( Cg Cdl )2
（ 1） （2）
（ 3）
当Ｃ ｄｌ >>Ｃｇ时，则Ｃ ｇ/Ｃ ｄｌ→0 得到：
Z1=Ｒ ｂ
（ 4）
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此时图 1 简化成纯电阻Ｒ ｂ，在复平面图上是一条垂直于实轴并与实轴交于
Ｒ ｂ的直线。
在高频区 ω→∞，当Ｃ ｄｌ>>Ｃ ｇ时式（ 2）简化为