北京北廣精儀儀器設(shè)備有限公司專業(yè)生產(chǎn)阻抗分析儀

阻抗分析儀對(duì)電極的要求非常嚴(yán)格，因?yàn)殡姌O是被測(cè)件與儀器之間的接口，電極的特性直接成為測(cè)量系統(tǒng)的一部分。不合適的電極會(huì)引入顯著誤差，甚至使測(cè)量結(jié)果失真。

以下是阻抗分析儀對(duì)電極的主要要求，從基本原則到具體考量：

一、核心基本原則

1.引入的阻抗可忽略或可校準(zhǔn)

電極、連接線和夾具自身的電阻、電感和電容應(yīng)該遠(yuǎn)小于被測(cè)件的阻抗值。如果不能忽略，就必須通過(guò)校準(zhǔn)程序?qū)⑵鋸臏y(cè)量結(jié)果中扣除。

2.穩(wěn)定性與可重復(fù)性

電極的電氣特性（如接觸電阻、界面電容）應(yīng)在測(cè)量過(guò)程中保持穩(wěn)定，不隨時(shí)間、溫度或測(cè)量信號(hào)而變化。

每次安裝和連接的方式必須可重復(fù)，否則測(cè)量結(jié)果沒(méi)有可比性。

3.匹配測(cè)量頻率范圍

電極的結(jié)構(gòu)和材料決定了其適用的頻率范圍。低頻測(cè)量和高頻測(cè)量對(duì)電極的要求截然不同。

二、電極的關(guān)鍵性能指標(biāo)與要求

1.材料選擇

化學(xué)穩(wěn)定性：電極材料不能與待測(cè)樣品（尤其是電解液）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如，測(cè)量酸性溶液時(shí)，不應(yīng)使用銅電極。

電化學(xué)穩(wěn)定性：在施加交流信號(hào)時(shí)，材料應(yīng)盡可能是非極化的，即不產(chǎn)生顯著的直流偏壓或發(fā)生法拉第過(guò)程（電荷轉(zhuǎn)移）。

理想材料：貴金屬（如鉑、金）是，因?yàn)樗鼈兓瘜W(xué)惰性高，不易氧化，極化效應(yīng)小。

常用材料：不銹鋼在非水溶液或要求不高的場(chǎng)合也常用。

特殊材料：銀/氯化銀電極在電化學(xué)測(cè)試中非常普遍，因?yàn)樗峁┮粋€(gè)穩(wěn)定、可逆的參考電位。

導(dǎo)電性：材料本身電阻要足夠低，以避免產(chǎn)生額外的串聯(lián)電阻。

2.結(jié)構(gòu)與幾何形狀

對(duì)稱性與一致性：對(duì)于二電極法，兩個(gè)電極應(yīng)盡可能相同（材料、尺寸、表面積），以確保電場(chǎng)分布對(duì)稱，簡(jiǎn)化分析。

表面積：

電極的表面積決定了雙電層電容的大小。表面積越大，雙電層電容越大。

在高頻下，大的雙電層電容會(huì)形成低阻抗通路，可能導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)“短路"通過(guò)電極界面，而無(wú)法探測(cè)到被測(cè)樣品的體阻抗。

在低頻下，雙電層電容會(huì)與樣品阻抗形成串聯(lián)，影響相位和幅值。

間距與定位：兩個(gè)電極之間的距離和平行度必須固定且精確。電極間的電容是并聯(lián)在待測(cè)樣品上的，其影響會(huì)隨著頻率升高而加劇。

3.界面特性（最關(guān)鍵也最復(fù)雜）

電極與樣品接觸會(huì)形成一個(gè)非常復(fù)雜的界面，通常用“電極/電解液界面等效電路"來(lái)描述，其中的是雙電層模型。

雙電層電容：在電極/電解液界面，由于電荷分離會(huì)形成一個(gè)電容，其值取決于電極材料、表面粗糙度、電解液濃度和電壓。

極化電阻：如果電極材料或施加的電壓可能導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電荷轉(zhuǎn)移相關(guān)的電阻。一個(gè)好的電極應(yīng)具有盡可能大的極化電阻，以抑制法拉第電流，使系統(tǒng)更接近一個(gè)理想的電容界面。

沃伯格阻抗：與電解液中離子的擴(kuò)散過(guò)程相關(guān)，通常在低頻段顯現(xiàn)，表現(xiàn)為一條45°斜率的直線。

三、根據(jù)測(cè)量方法選擇電極

阻抗測(cè)量主要有兩種方法，對(duì)電極的要求也不同：

1.二電極法

描述：使用兩個(gè)相同的電極，既作為工作電極也作為對(duì)電極。

要求：

電極對(duì)稱性要求。

電極的界面阻抗會(huì)串聯(lián)在總的測(cè)量阻抗中。因此，只有當(dāng)樣品阻抗遠(yuǎn)大于單個(gè)電極的界面阻抗時(shí)，測(cè)量才準(zhǔn)確。

適用場(chǎng)景：主要用于測(cè)量高阻抗樣品，如絕緣材料、薄膜、高電阻率溶液等。

2.三電極/四電極法

描述：

三電極：包含工作電極、對(duì)電極和參比電極。參比電極提供一個(gè)穩(wěn)定的電位參考點(diǎn)，用于精確測(cè)量工作電極/溶液界面的阻抗，而幾乎不受溶液電阻和對(duì)電極界面阻抗的影響。

四電極：使用兩對(duì)電極，一對(duì)用于注入電流，另一對(duì)用于高阻抗地測(cè)量電壓。這可以消除引線和接觸電阻的影響。

要求：

三電極法：需要一個(gè)穩(wěn)定、可靠的參比電極（如Ag/AgCl）。

四電極法：對(duì)電流電極的要求較低，但電壓測(cè)量電極需要的輸入阻抗。

適用場(chǎng)景：

三電極法：主要用于電化學(xué)研究，如腐蝕、電池、涂層等，專注于研究單個(gè)電極/電解液界面的特性。

四電極法：主要用于測(cè)量低阻抗樣品，如電解液、導(dǎo)電材料、生物組織等，可以消除引線電阻的影響。

四、頻率范圍的影響

低頻測(cè)量：電極的極化效應(yīng)和雙電層電容占主導(dǎo)地位。需要大表面積的惰性電極來(lái)雙電層電容，最小化極化效應(yīng)。

高頻測(cè)量：電極的幾何結(jié)構(gòu)和寄生參數(shù)（引線電感、極間電容）占主導(dǎo)地位。需要使用短而粗的連接線，緊湊的夾具設(shè)計(jì)，并盡量減小電極的對(duì)地電容。

總結(jié)：最佳實(shí)踐與建議

1.明確測(cè)量目標(biāo)：你是在測(cè)材料本體屬性，還是測(cè)電極界面屬性這決定了使用二電極還是三電極法。

2.匹配電極材料與樣品：確保化學(xué)和電化學(xué)兼容性。貴金屬是通用。

3.優(yōu)先使用商用夾具：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品（如平板材料、液體），使用儀器制造商提供的專用電極夾具（如平行板電極、液體電極盒），它們已經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，并提供了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

4.必須進(jìn)行校準(zhǔn)：在連接被測(cè)件之前，務(wù)必對(duì)測(cè)試夾具和電纜進(jìn)行開(kāi)路、短路和負(fù)載校準(zhǔn)。這是消除系統(tǒng)誤差最關(guān)鍵的一步。

5.保持清潔與一致性：電極表面必須清潔，無(wú)氧化層或污染物。每次測(cè)量時(shí)，確保電極的安裝方式、扭矩（如適用）和接觸狀一致。

簡(jiǎn)而言之，選擇電極的核心思想是：讓你所關(guān)心的阻抗（樣品）遠(yuǎn)大于你不關(guān)心的阻抗（電極系統(tǒng)本身），或者通過(guò)校準(zhǔn)和測(cè)量技術(shù)將其影響分離出去。