交流阻抗技术测量聚合物电解质离子电导率

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。

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Ｃｄｌ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Ｃｄｌ小。Ｒｂ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：

Z2CdlRb222(CgCdl)22CdlCgRbj(C222CgCdl2CdlCgRb23222gCdl)CdlCgRb（1）

其中，实部： Z1=

2CdlRb222(CgCdl)22CdlCgRb（2）

虚部：

-Z＂=(CC)23C2C2R2（3）

gdldlgb在低频区ω→0，式（2）简化为

2CdlRbZ1=(CgCdl)2

222CgCdl2CdlCgRb当Ｃｄｌ>>Ｃｇ时，则Ｃｇ/Ｃｄｌ→0得到：

Z1=Ｒｂ（4）

此时图1简化成纯电阻Ｒｂ，在复平面图上是一条垂直于实轴并与实轴交于Ｒｂ的直线。 在高频区ω→∞，当Ｃｄｌ>>Ｃｇ时式（2）简化为

RbZ1=12C2R2（5）

gb而式（3）简化为

22CgRb22（6） -Z＂=12CgRb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（Ｒｂ/2，0）为圆心，Ｒｂ/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：RdA（s.cm-1）

b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：

Zcpe=K（jω）=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.

图3聚合物电解质阻抗图

-p

-p

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SolartronSI1287+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。