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Zview軟件擬合電化學(xué)阻抗譜教程

來(lái)源：測(cè)試GO 時(shí)間：2021-01-22 14:12:29 瀏覽：26847次

1引言

電化學(xué)阻抗譜（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）是給電化學(xué)系統(tǒng)施加一個(gè)頻率不同的小振幅的交流正弦電勢(shì)波，測(cè)量交流電勢(shì)與電流信號(hào)的比值（系統(tǒng)的阻抗）隨正弦波頻率ω的變化，或者是阻抗的相位角Ф隨頻率ω的變化。EIS可用于分析電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)、雙電層和擴(kuò)散等，研究電極材料、固體電解質(zhì)、導(dǎo)電高分子以及腐蝕防護(hù)等機(jī)理。EIS研究電化學(xué)體系的方法是將電化學(xué)系統(tǒng)看做是一個(gè)等效電路，這個(gè)等效電路是由電阻（R）、電容（C）和電感（L）等基本元件按串并聯(lián)等不同方式組合而成的，使構(gòu)建的等效電路的阻納頻譜與電化學(xué)體系測(cè)得的EIS相同，從而來(lái)分析相應(yīng)的電化學(xué)過(guò)程（如圖1）。因此，如何構(gòu)建等效電路并對(duì)得到的EIS數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合顯得非常重要。本文將給大家介紹如何使用Zview軟件構(gòu)建等效電路并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

圖1

2軟件介紹

本文使用的軟件為Zview，它是由美國(guó)的“ScribnerAssociatesInc.”公司（圖2）開發(fā)的一款小巧而又強(qiáng)大的EIS擬合軟件。該軟件具有以下功能和特點(diǎn)：（1）常見電路即時(shí)擬合，（2）強(qiáng)大的等效電路建模，（3）數(shù)據(jù)處理與繪圖，（4）批量處理數(shù)據(jù)，（5）分析和擬合數(shù)據(jù)，（6）兼容Windows7/8/10等[1]。3nu4

若鏈接失效，可聯(lián)系我們：17318936377（微信同號(hào)）

軟件安裝：Zview軟件是一款綠色的軟件，將軟件復(fù)制到電腦上，如圖3所示，找到目錄下面“Zview/Programs/Zivew2.exe”即可使用。

圖2

軟件界面介紹：軟件打開后的界面如圖4所示，分為五個(gè)部分，分別是菜單欄，工具欄，數(shù)據(jù)點(diǎn)信息顯示，Bode圖以及Nyquist圖。

圖3

菜單欄介紹：如圖5所示，“File”用于導(dǎo)入和保存文件以及配置打印機(jī)。“Graph”用于用于創(chuàng)建新的圖層。“Options”用于自動(dòng)調(diào)整圖形的尺寸。“Tools”用于改變數(shù)據(jù)，刪除數(shù)據(jù)，合并數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行電路建模。“Window”用于改變窗口顯示形式。“Help”包含軟件介紹以及安裝和使用方法。

圖4

工具欄介紹：

可將當(dāng)前處理的信息保存或另存為“Zviewsetup(*.zv2)”文件，包含數(shù)據(jù)信息，圖層，擬合的數(shù)據(jù)以及建立的等效電路等，方便下次需要修改時(shí)使用。可將之前保存的“Zviewsetup(*.zv2)”文件打開再次進(jìn)行處理修改。可將當(dāng)前處理的信息保存或另存為“Zviewsetup(*.zv2)”文件，包含數(shù)據(jù)信息，圖層，擬合的數(shù)據(jù)以及建立的等效電路等，方便下次需要修改時(shí)使用。

打開數(shù)據(jù)文件：用于打開不同格式的阻抗數(shù)據(jù)。

即時(shí)擬合：整個(gè)數(shù)據(jù)的等效電路模型可能非常復(fù)雜，但通常只有少數(shù)元素在一個(gè)特定的頻率范圍內(nèi)是活躍的，所以通常使用數(shù)據(jù)游標(biāo)選擇對(duì)一部分?jǐn)?shù)據(jù)，快速地將數(shù)據(jù)擬合到預(yù)定義的小電路模型中，并獲得元件初值。

等效電路：用于創(chuàng)建整個(gè)數(shù)據(jù)的等效電路模型，并利用即時(shí)擬合得到的初值對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

自動(dòng)調(diào)整尺寸：調(diào)整所有圖層尺寸至數(shù)據(jù)可視程度。

3導(dǎo)入數(shù)據(jù)

一般將測(cè)試得到的EIS數(shù)據(jù)保存為txt文件，只保留頻率，實(shí)部，虛部三部分?jǐn)?shù)據(jù)，如圖7所示。

圖5

導(dǎo)入數(shù)據(jù)：打開軟件，如圖8所示，點(diǎn)擊工具欄打開數(shù)據(jù)文件的按鈕（步驟1），在彈出的對(duì)話框雙擊需要進(jìn)行擬合的文件“Sample.txt”（步驟2）。如圖9所示，確保右側(cè)文件框里有該文件（步驟3），最后單擊右下角“OK”（步驟4）。

調(diào)整標(biāo)尺：數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，一般情況下圖層的標(biāo)尺與數(shù)據(jù)不匹配，此時(shí)需要點(diǎn)擊自動(dòng)調(diào)整尺寸的按鈕（圖10紅框所示按鈕），軟件就會(huì)自動(dòng)調(diào)整圖層的標(biāo)尺以匹配數(shù)據(jù)，調(diào)整后如圖11所示。

圖6

激活數(shù)據(jù)：調(diào)整好圖層標(biāo)尺后，如圖12所示，選擇導(dǎo)入的數(shù)據(jù)Sample.txt對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行激活（紅框1所示）。激活數(shù)據(jù)后可以看到圖層有綠色方塊（紅框2所示）和帶紅框的綠色方塊（紅框3所示），前者為固定數(shù)據(jù)光標(biāo)，后者為可移動(dòng)數(shù)據(jù)光標(biāo)，點(diǎn)擊紅框4所示圖標(biāo)可交換兩者位置，兩者之間為數(shù)據(jù)選擇區(qū)域，在圖層上滑動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)光標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)變換數(shù)據(jù)選取范圍。

刪除數(shù)據(jù)點(diǎn)：某些情況下，測(cè)試得到的數(shù)據(jù)會(huì)有一些不正常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以將這些不正常的數(shù)據(jù)點(diǎn)刪除以免影響后續(xù)的擬合結(jié)果。首先鼠標(biāo)左鍵框選需要放大的圖層區(qū)域，滑動(dòng)鼠標(biāo)滾輪將活動(dòng)數(shù)據(jù)光標(biāo)移動(dòng)到需要?jiǎng)h除的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖13所示，選擇菜單欄“Tools”中“DeleteDataPoint”，就可以刪除不正常數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖7

4建立等效電路模型

不同的電化學(xué)體系的等效電路不同，需要分析電化學(xué)體系的實(shí)際含義并參考相關(guān)書籍和文獻(xiàn)建立合適的等效電路，這樣才能得到合理的擬合結(jié)果。軟件的具體操作步驟如下所示：點(diǎn)擊等效電路按鈕（圖14紅框所示），彈出“EquivalentCircuits”窗口，主要分為工具欄，模型顯示欄，數(shù)據(jù)顯示欄。圖15對(duì)常用工具進(jìn)行了簡(jiǎn)單的功能說(shuō)明。

圖8

如圖16所示，在模型顯示編輯區(qū)右擊即可進(jìn)行編輯等效電路模型。選擇合適的元件（圖17），還可以更改元件名字（圖18）。

圖9

編輯好的等效電路可以點(diǎn)擊保存按鈕，保存為模板方便下次使用，此外點(diǎn)擊打印模型按鈕將模型保存為PDF可截圖用于論文。

5擬合并輸出結(jié)果

即時(shí)擬合：在進(jìn)行全局?jǐn)M合之前，我們需要利用即時(shí)擬合功能獲取各個(gè)元件的初值。如圖19所示，首先點(diǎn)擊即時(shí)擬合按鈕后彈出“InstantFit”窗口（步驟1），選擇即時(shí)擬合需要的數(shù)據(jù)區(qū)域（步驟2），選擇對(duì)應(yīng)的基本等效電路進(jìn)行即時(shí)擬合（步驟3）。即時(shí)擬合后得到元件初值，如圖20所示，單擊某一初值按緊左鍵拖拽到“EquivalentCircuits”窗口對(duì)應(yīng)的元件值中（步驟4）。

圖10

全局?jǐn)M合：將全部的元件都賦上初值后，如圖21所示，首先單擊“Freedom”前面的圖標(biāo)改為數(shù)值可正負(fù)改變的“(±)Free”（步驟1），其次點(diǎn)擊調(diào)整參數(shù)按鈕在彈出的窗口修改擬合模式為“Fitting”（步驟2），最后點(diǎn)擊運(yùn)行（步驟3）。

圖11

數(shù)據(jù)輸出：擬合完成之后，如圖22所示，點(diǎn)擊打印按鈕可將元件擬合值和模型一起輸出為PDF文件。如圖23所示，首先選擇“~FitResults”（步驟1）。如圖24所示，點(diǎn)擊查看數(shù)據(jù)按鈕（步驟2），在彈出的數(shù)據(jù)窗口右擊可復(fù)制擬合后的數(shù)據(jù)用于繪制擬合的Nyquist圖（圖25步驟3）。

圖12

圖13

最后需要注意的是，如果擬合的結(jié)果與原來(lái)EIS數(shù)據(jù)相差非常大，可能是等效電路的構(gòu)建錯(cuò)誤。同一組EIS數(shù)據(jù)可能會(huì)有多種等效電路模型，需要根據(jù)實(shí)際的電化學(xué)過(guò)程選擇合理的等效電路模型。

6文獻(xiàn)實(shí)例

電極材料的分析中經(jīng)常用到電化學(xué)阻抗譜。圖26為鋰硫電池不同電極材料循環(huán)前后的電化學(xué)阻抗譜和對(duì)應(yīng)的等效電路圖。如圖26a所示，所有的Nyquist圖都由在高頻區(qū)的兩個(gè)半圓和低頻區(qū)的斜線組成，分別對(duì)應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移，吸附以及擴(kuò)散過(guò)程。如圖26b所示，S/CoOOH電極材料在經(jīng)過(guò)幾次充放電循環(huán)后，其電荷轉(zhuǎn)移阻抗（Rct）和吸附阻抗（Ws）迅速減小并且始終小于S/superP電極材料，說(shuō)明CoOOH材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，同時(shí)對(duì)多硫化鋰具有很強(qiáng)的吸附能力和催化作用。[2]

圖14

參考文獻(xiàn):

[1]http://www.scribner.com/

[2]WangZY,WangL,LiuS,etal.ConductiveCoOOHasCarbon-FreeSulfurImmobilizertoFabricateSulfur-BasedCompositeforLithium-SulfurBattery[J].AdvancedFunctionalMaterials,2019,29(23):1901051.1-1901051.10.

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