·EIS 基本原理：交流阻抗與頻率響應

圖1. （a）頻率/實阻/虛阻抗三維曲線圖；（b） Bode圖。

2. EIS 的核心思想

EIS 通過向電化學系統施加小幅正弦波電壓（或電流）信號，測量其在不同頻率（通常 10^-2 Hz ~ 10⁵ Hz）下的響應，從而得到阻抗譜。

· 高頻區（>1 kHz）：反映歐姆電阻（Rs）和電荷轉移電阻（Rct）。

· 中頻區（1 Hz~1 kHz）：與雙電層電容（Cdl）相關。

· 低頻區（<1 Hz）：體現擴散傳質（Warburg阻抗）。

圖2：交流阻抗譜與對應的等效電路，分別構建為實阻抗和虛阻抗的二維X軸和Y軸。X軸是阻抗實部，表示Rs、Rct和W值。Y軸是虛部。

3.為什么用交流信號？

· 小振幅（5-10 mV）不會顯著擾動體系，保持準穩態；

· 不同頻率可區分快慢動力學過程（如電荷轉移 vs. 擴散）。

·EIS 測試方法與實驗設計

兩個注意點：

· 測之前一定要等開路電位（OCP）穩定，不然數據會飄；

· 高頻段數據容易受導線電感影響，盡量把連接線弄短點。

·EIS 數據分析：從圖譜到等效電路

1. 兩種阻抗譜圖

(1) Nyquist 圖（復數平面圖）

橫軸是實部阻抗（Z'），縱軸是負的虛部阻抗（-Z''），看這個圖主要抓三個點：

> 高頻端和橫軸的交點：是溶液電阻（Rs）；

>  半圓的直徑：代表電荷轉移電阻（Rct）；

>  低頻段的斜線：一般是 Warburg 阻抗，說明反應受擴散控制。

圖3典型的Nyquist圖,DOI: 10.1038/s41467-025-58818-y; 10.1038/s41467-025-59015-7

(2) Bode 圖

分兩個部分：頻率對阻抗模值（|Z|），還有頻率對相位角（φ）—— 相位角能看出電流比電壓滯后多少。

優勢：能清楚看到不同頻率下哪個過程占主導，比如涂層或者腐蝕系統這種多時間常數的體系，用 Bode 圖分析更方便。

圖4:典型的Bode圖DOI:10.1038/s41467-025-58818-y; 10.1038/s41467-025-59015-7

2. 等效電路擬合

EIS 數據需通過等效電路模型（ECM）解析，常見元件包括：

擬合軟件：ZView、EC-Lab、NOVA 等。

·EIS 的典型應用場景

1. 電池研究

鋰離子電池：

能測 SEI 膜的阻抗（看高頻半圓），還能評估電解液穩不穩定（看低頻擴散阻抗）

圖5. LGPS|NCM622復合正極全電池的EIS測試（圖b插圖：等效電路）。DOI: 10.1038/s41467-021-26895-4

燃料電池：

主要測膜電極（MEA）的質子傳導電阻，也能研究催化劑衰減 —— 比如 Rct 變大了，可能就是催化劑活性降了。

2. 電池研究

涂層評估：高頻段看涂層的孔隙電阻，低頻段能算金屬基底的腐蝕速率；

緩蝕劑研究：看加了緩蝕劑后 Rct 怎么變，就能評價緩蝕效率。

圖6.敏化5083鋁合金樣品鈍化膜破裂時對應的電化學等效電路。DOI: 10.1016/j.corsci.2025.112701

3. 電催化

像OER、HER、ORR 這些反應的催化劑，用 EIS 能比較不同催化劑的 Rct——Rct 越小，催化劑活性通常越高；還能研究反應機理，比如中間體吸附會不會導致雙電層電容（Cdl）變化。

1.數據異常可能性：

2.怎么提高擬合精度？

· 優先選擇物理意義明確的等效電路；

· 使用加權最小二乘法（WLS）擬合；

· 多掃幾個頻率段驗證一下，確保模型可靠。

電化學阻抗譜（EIS）作為一種高分辨率、非破壞性的頻域分析技術，已確立其在現代電化學研究中的戰略地位。它成功地將復雜的電化學過程轉化為可量化的阻抗參數，為研究人員提供了獨特的手段，深入洞察電極/電解液界面上的電荷轉移、物質擴散和雙電層行為。熟練掌握EIS的規范化測試流程、等效電路模型的構建邏輯和數據擬合技巧，是確保電化學研究數據嚴謹性和可靠性的基礎。展望未來，隨著對固態電化學、界面工程以及復雜多相催化體系研究的深入，EIS技術在高精度、寬頻域測量和原位/操作條件下的應用潛力將持續釋放，為下一代能源技術和材料科學的突破提供更*的工具支撐。