说明：本文系统介绍了电化学阻抗谱（EIS）的基本原理、测量方法、数据分析及在锂离子电池等领域的具体应用。通过学习，读者可以掌握EIS如何揭示电化学体系中的界面结构与反应动力学信息，理解Nyquist图和Bode图的含义，学会分析典型阻抗谱特征参数，并了解该技术在材料表征与工业实践中的广泛用途。
PART 01、什么是电化学阻抗谱
电化学阻抗谱Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS图1：（a）典型的电化学活性体系的Nyquist图。（b）其对应的等效电路。DOI：EIS近年来，随着电子测量技术与数据分析方法的进步，已从传统的实验室分析工具发展为在线监测与质量控制的实用技术。在锂离子电池生产中，EIS可用于电芯一致性筛选；在金属材料防护领域，可评估涂层服役寿命；在燃料电池研发中，能优化催化剂层结构设计。
PART 03、电化学阻抗谱的基本原理
阻抗的核心特性
EIS阻抗Z=Z’+jZ”
Z’）：表征体系储存与释放能量的电抗特性，与双电层电容、扩散电感等储能效应相关；相位角（φ）在直流条件下，由于没有频率变化，电抗部分消失，阻抗简化为纯电阻，这就是我们在欧姆定律中熟悉的电阻概念。这种复数特性完整呈现了电化学体系的动态响应，就像给体系装上了一台频谱分析仪“，能分辨出不同时间尺度上发生的物理化学过程。
这种频率依赖性正是能够区分不同电化学过程的基础——快速的电荷转移过程通常在高频区显现，而缓慢的扩散过程则在低频区留下特征信号。
EIS信号发生器负责产生频率可调的正弦波交流电压（或电流）信号，频率范围通常为1mHz-1MHz；电化学工作站精确测量不同频率下的电流（或电压）响应，并同步记录信号幅值与相位差；数据分析软件则将原始测量数据转化为阻抗谱图，再通过等效电路模型由于测量结果需符合Z=V/I，因此过程中需严格控制信号振幅（通常≤10mV）以满足体系线性响应条件，这是保证测量准确性的关键前提。
典型谱图形式
1）Nyquist图
典型锂离子电池的Nyquist图由三个特征区域构成（图3）：
Nyquist高频区（）SEISEI中高频区（）ct而呈现45°斜线特征，这是由于该频率段对应锂离子在电极材料中的缓慢扩散过程，符合Warburg阻抗特性。
图
。由于能够直观反映不同频率区间的主导过程，图在分析复杂体系时比Nyquist图更具优势：
Bode高频段（）中频段（1Hz–1kHz）低频段（）等效电路模型（）常见基础元件包括：电阻（RsR）；C表征界面电荷储存效应，如双电层电容（Cdl）；则反映吸附物种脱附或磁场感应效应，这种情况在腐蚀体系中偶见。
常相位角元件（CPE）ZCPE=1/Q(jω)其中α值（0）可直接反映界面粗糙程度。对于扩散过程，由于其阻抗值随频率降低而增大，且理想条件下相位角固定为-45°，因此采用Warburg元件（W）模拟。
基础等效电路
（图5），由于其能够准确描述含扩散行为的电极反应体系的阻抗特性，因此被广泛应用：其中图中的2R为电荷转移电阻；1图5：经典的等效电路模型与图谱。DOI：10.33961/jecst.2019.00528
PART 05、电化学阻抗谱数据处理
数据拟合与有效性验证
ZView、EC-Lab、Thales由于拟合结果的可靠性直接影响分析结论，通常通过χ2值（要求-3）与残差分布评估拟合质量，优质结果需满足残差随机分布且无明显趋势性偏差EIS该方法通过阻抗实部与虚部的积分变换关系判断数据是否符合EIS基本假设，只有通过K-K校验的数据，其等效电路拟合结果才被认为可靠。
弛豫时间分布分析
Distribution of Relaxation Times, DRT，能够有效识别重叠的时间常数（如电阻与电荷转移电阻），并直接关联峰值位置与反应速率（弛豫时间τ=RC）。
DRT由于分析对噪声较为敏感，实际应用中需结合正则化算法抑制干扰，目前该技术已成为电池老化机理与腐蚀类型识别的有效工具。
PART 06、锂离子电池领域的应用
动力学性能
R）是衡量电极反应速率的关键参数Nyquist在正极材料研究中，随着Ni含量从50%提升至70%，EIS测试显示NCM523的R为，而NCM721的R降至，这一结果表明在Co含量固定的体系中，增加Ni含量有利于提高电子电导率，从而降低界面电荷转移阻力，最终提升倍率性能。
，这一结论通过传输线模型（TLM）研究多孔电极电阻随温度的变化得到了进一步证实。
NiWarburg以上是锂离子扩散系数的电化学计算公式，其中M-1/的斜线斜率）。
低频区斜线斜率随电位显著改变：高电位（如2.6V）下斜线更陡（σ更小，扩散系数更大），低电位（如2.2V）下斜线平缓（σ更大，扩散系数更小），直观反映锂离子扩散行为的电位依赖性在实际应用中，通过结合和恒电位间歇滴定技术（PITT），能够精确测量LiCoO₂薄膜的化学扩散系数，并观察到在LiCoO₂需要注意的是，由于两相共存区域的扩散行为复杂，该计算方法通常只适用于固溶体（单相）区域，对于复杂体系需结合恒电流间歇滴定技术（GITT）或循环伏安法（CV）进行综合分析图8：不同电位下的低频复阻抗谱。DOI：10.1149/1.2129668
PART 01、Nyquist图解析实战
关键参数识别
图的特征参数提取是EIS分析的基础技能，由于这些参数直接对应体系的物理化学特性，因此准确识别至关重要：
Rb电荷转移电阻（R）对应中高频区半圆直径，由于其值越小表明反应动力学越快，因此优质正极材料的Rct应。图9：锂离子电池半电池的图谱。DOI：10.33961/jecst.2019.00528
典型图谱对比
Nyquist，低频区斜线完整，表明此时SEI层稳定，电荷转移与扩散过程均正常；
老化电池的Rct与（如图中不同存储天数的阻抗谱演变），低频区可能出现感抗弧，这一特征与层增厚、锂枝晶生长等导致的体系不稳定相关；
过充电池的高频区则会出现电感特征图10：不同状态电池的对比图。DOI：10.1002/aenm.201903311
Nyquist