摘要部分 - 电化学阻抗谱（EIS）的基本介绍：EIS是一种独特的无损技术，用于分析不同储能应用中的各种设备。它以等效电路为模型，表征非均匀系统中材料和界面的特性。
EIS的应用及本文重点：到目前为止，EIS已通过等效电路设计用于分析各种光伏电池、燃料电池、电池和其他储能设备的性能。本文重点强调了EIS在燃料电池中的多样应用以及影响其性能的特定参数，特别关注了该技术面临的挑战及其可能的解决方案。1.简介
能源研究背景及电化学表征的重要性：传统能源减少及环境问题促使全球研发可持续能源材料，电化学表征是评估能源材料性能的有效方法，电化学分析仪可进行多种电化学表征，包括EIS、GCD和CV等，EIS实验需获取所有系统组件，通过三电极设置产生定量数据，可分析燃料电池组件的电学特性。 EIS的基本原理及特点：EIS是测量系统交流电位频率相关阻抗的电化学方法，通过施加小振幅正弦电压计算阻抗。它具有分离不同组件影响、表面敏感等优点，可用于表征电极，但对于复杂系统存在局限性，常用等效电路模型解释EIS数据，介绍了Warburg阻抗等特殊元件及相关方程。![]()
表1.在能源应用中使用的不同元素的阻抗、导纳和相位角值。
2.EIS在燃料电池的应用
燃料电池的工作原理及相关测试方法：燃料电池将化学能直接转化为电能，其功率受多种因素影响。测试和诊断燃料电池的方法各有优缺点，EIS可短时间提供电阻、电容和电感等信息，而其他方法难以区分总内阻的不同成分。 ![]()
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图1.一个燃料电池的简单等效电路模型。
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图2.一个理想化的兰德尔斯电路。
燃料电池的等效电路模型：介绍了燃料电池的原始模型和Randles等效电路模型，包括电荷双层电容、欧姆电阻、极化电阻等元件的作用及相关公式，还介绍了几种阻抗谱的表示方法以及EIS在燃料电池中的多种用途，如研究内部过程、故障诊断等。![]()
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图3.阻抗谱的说明。
3.影响EIS的因素
电极材料对EIS的影响：电极极化产生过电位，高导电性电极可降低极化电阻。电极的几何形状、颗粒大小等影响EIS，不同材料的电极性能不同，微生物燃料电池的阳极极化电阻受生物膜影响，阴极材料影响微生物燃料电池的性能，不同阴极材料的氧还原反应激活电阻不同。 电解液pH值和粘结剂对EIS的影响：Bode图显示阻抗绝对值随pH值变化，微生物燃料电池电解液的pH值影响功率输出和电极反应速率，粘结剂影响燃料电池性能，无Nafion粘结剂的微生物燃料电池功率输出可能更高，且随着时间推移，有或无Nafion的阴极阻抗都会降低。 介质对EIS的影响：向电解液中添加介质可降低电荷转移电阻，加速电子传输动力学，EIS可分析介质对电荷转移电阻的影响，举例说明了不同介质的作用。
隔膜对EIS的影响：隔膜用于防止电极接触和电解液混合，但会增加内阻，降低功率密度，影响离子传输，造成质量传输限制，通过实例说明了隔膜对空气 - 阴极微生物燃料电池性能的影响。 实验条件对EIS的影响：EIS受电解液离子浓度、电极间距、电极旋转和磁场等因素影响，溶液电阻是燃料电池功率输出的重要决定因素，旋转电极和磁场可降低电阻。4.EIS面临的挑战及其可能的解决方案
EIS面临的挑战
应用局限性：EIS实际应用于简单电化学系统，复杂模型可能导致不准确结论，电极多孔、弛豫时间长，且需在稳定或平衡状态下测量，否则结果可能误导。 ![]()
图4.与EIS相关的挑战。
数据处理困难：EIS数据处理存在技术问题，大量数据的分析任务繁琐，合适的等效电路模型难以拟合数据，电极极化影响数据解释，其与电极结构、材料、温度等多种因素有关。 提高EIS准确性和适用性的方法
满足分析条件：可靠的阻抗谱分析需满足因果性、线性、稳定性和有限性条件，可使用Kramers - Kronig（K - K）关系验证数据有效性。 解卷积方法：可将电化学阻抗解卷积为相应过程并构建等效电路，如DRT方法可用于分析极化损失，分离不同时间常数的极化损失过程。5.总结
EIS是燃料电池应用中的重要方法，可用于材料表征，其电荷转移阻抗和输出功率受电极材料、实验条件、电解液pH值和介质等因素控制。仪器的技术准确性、稳定性、操作过程和数据解释是EIS面临的主要挑战。
对EIS的展望：应充分认识EIS的重要性以发挥其潜在功能，正确使用EIS有助于深入了解燃料电池电化学储能系统，在面向具有成本竞争力和适当耐久性的燃料电池诊断方面，既有成果也有障碍，需要进一步发展。
