Electrochemical Impedance Spectroscopy – High-Tech mit REGATRON – Geräten
Mit der weiten Verbreitung von Hochleistungs-Batterien in Elektrofahrzeugen steigt das Bedürfnis nach einer immer feineren Bertriebs- und Zustandsüberwachung von Batteriestacks stark an. Die «Electrochemical Impedance Spectroscopy» EIS gewährt Einblicke in die Details der elektrochemischen Reaktion bis hinab auf die Ebene der Ionen – mit Hilfe der präzisen und zuverlässigen REGATRON Geräte!
Mit der Elektrochemischen Impedanz-Spektroskopie EIS steht für die Beurteilung von elektrochemischen Prozessen ein modernes Werkzeug zur Verfügung, welches die bis jetzt üblichen Parameter Zellenspannung, Stromstärke und Zellen-Innenwiderstand um einen bedeutenden Schritt erweitern und verfeinern können. Mit einer ausgefeilten Messmethodik liefert die EIS zuverlässige Aussagen über die Kinetik der Ionenbewegung, den Zustand von Zellenkomponenten sowie Drift, Alterungserscheinungen und abnormales Verhalten des Prozesses. Neben der Überwachung und Charakterisierung von Batteriezellen eignet sich das Verfahren ebenso für das Monitoring von Brennstoffzellen, von Elektrolyseuren und elektrochemischen Sensoren und Applikationen aller Art.
Funktionsprinzip
Die EIS stützt sich auf die Bestimmung des Impedanzverlaufes des D.U.T bei verschiedenen Messfrequenzen. Dazu wird dem Arbeitsstrom des Stacks, der Brennnstoffzelle oder der Elektrolysewanne ein Wechselstrom kleiner Amplitude aufmoduliert und aus dem Phasenwinkel zwischen Zellenspannung und Strom die zugehörige Impedanz in Echtzeit berechnet. Dieses Verfahren wird pro Messzyklus mit einer grösseren Anzahl von vorbestimmten Frequenzen wiederholt und bildet dann ein Impedanz-Spektrum.
Interessant ist die Tatsache, dass jeder elektrochemische Vorgang ein charakteristisches Spektrogramm aufweist. Auf diese Weise können etwa die Zellen eines Stacks untereinander einem Vergleich unterzogen werden, schon sehr geringfügige Abweichungen innerhalb des elektrochemischen Vorganges haben deutliche Abweichungen des Spektrogramms zur Folge. Diese Tatsache kann man für Testzwecke, für Forschung und Entwicklung, aber auch zur engmaschigen Überwachung eines Prozesses ausnutzen.
Die Vorteile der EIS
Das Verfahren bietet eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber den heute meist angewendeten Methoden mit Bestimmung des Zellenwiderstandes und dessen Grenzwertüberwachung:
- Wesentlich genauere und vielseitige Einblicke in das elektrochemische System, eingeschlossen sind Aussagen über den Ladungsfluss, Zustand der Elektroden, Zustand des Elektrolyten, des Innenwiderstandes und der komplexen Impedanzen
- Hohe Sensitivität: Bereits kleinste Prozesse auf Ionen-Ebene bewirken einen Fussabdruck im EIS-Spektrogramm und ermöglichen dadurch Analysen im Bereich der Interaktionen Elektroden/Elektrolyt
- Das EIS-Verfahren ist nicht-destruktiv für den untersuchten Prozess und läuft parallel zum eigentlichen elektrochemischen Hauptprozess
- Gute Übertragbarkeit des Verfahrens auf eine Vielzahl von elektrochemischen Prozessen in den Bereichen Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyseure, Beschichtungen und elektrochemische Sensoren
- EIS funktioniert sowohl in flüssigen als auch in Festkörper-Medien
- Die hohe Reproduzierbarkeit der Resultate ermöglicht die Gewinnung von quantitativem Datenmaterial für die weitere Auswertung durch Chemiker und F+E-Fachleute
- EIS ist die Methode der Wahl, wenn es um die feinmaschige Überwachung elektrochemischer Prozesse, die Eruierung von Degradation und Driften sowie um die Bestimmung von Ausfallmechanismen geht
Warum REGATRON Geräte für die EIS
Die EIS stellt besonders hohe Anforderungen an die Modulationsfähigkeit der Belastungsstromquelle. Sie muss im Interesse einer guten Signalqualität voll bidirektional arbeiten können und über einen integrierten Funktionsgenerator mit sehr grossem Frequenzbereich verfügen. Sie muss systemfähig sein, um den umfangreichen Datenverkehr von und zur Prüfumgebung abwickeln zu können. Mit ihrer sprichwörtlichen Genauigkeit und elektrischen Stabilität sowie der Vielzahl von nützlichen Interfaces hat sich die REGATRON G5-Gerätefamilie im praktischen EIS-Einsatz als empfohlene Systemquelle etablieren können.
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