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Zview軟件擬合電化學阻抗譜教程

來源：測試GO 時間：2021-01-22 14:12:29 瀏覽：28142次

1引言

電化學阻抗譜（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）是給電化學系統(tǒng)施加一個頻率不同的小振幅的交流正弦電勢波，測量交流電勢與電流信號的比值（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可用于分析電極過程動力學、雙電層和擴散等，研究電極材料、固體電解質、導電高分子以及腐蝕防護等機理。EIS研究電化學體系的方法是將電化學系統(tǒng)看做是一個等效電路，這個等效電路是由電阻（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，使構建的等效電路的阻納頻譜與電化學體系測得的EIS相同，從而來分析相應的電化學過程（如圖1）。因此，如何構建等效電路并對得到的EIS數(shù)據(jù)進行擬合顯得非常重要。本文將給大家介紹如何使用Zview軟件構建等效電路并進行數(shù)據(jù)擬合。

圖1

2軟件介紹

本文使用的軟件為Zview，它是由美國的“ScribnerAssociatesInc.”公司（圖2）開發(fā)的一款小巧而又強大的EIS擬合軟件。該軟件具有以下功能和特點：（1）常見電路即時擬合，（2）強大的等效電路建模，（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）

軟件安裝：Zview軟件是一款綠色的軟件，將軟件復制到電腦上，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，分為五個部分，分別是菜單欄，工具欄，數(shù)據(jù)點信息顯示，Bode圖以及Nyquist圖。

圖3

菜單欄介紹：如圖5所示，“File”用于導入和保存文件以及配置打印機。“Graph”用于用于創(chuàng)建新的圖層?！?/span>Options”用于自動調整圖形的尺寸?！?/span>Tools”用于改變數(shù)據(jù)，刪除數(shù)據(jù)，合并數(shù)據(jù)文件，進行電路建模?！?/span>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使用。可將之前保存的“Zviewsetup(*.zv2)”文件打開再次進行處理修改?？蓪斍疤幚淼男畔⒈４婊蛄泶鏋椤?/span>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)。

即時擬合：整個數(shù)據(jù)的等效電路模型可能非常復雜，但通常只有少數(shù)元素在一個特定的頻率范圍內是活躍的，所以通常使用數(shù)據(jù)游標選擇對一部分數(shù)據(jù)，快速地將數(shù)據(jù)擬合到預定義的小電路模型中，并獲得元件初值。

等效電路：用于創(chuàng)建整個數(shù)據(jù)的等效電路模型，并利用即時擬合得到的初值對整個數(shù)據(jù)進行擬合。

自動調整尺寸：調整所有圖層尺寸至數(shù)據(jù)可視程度。

3導入數(shù)據(jù)

一般將測試得到的EIS數(shù)據(jù)保存為txt文件，只保留頻率，實部，虛部三部分數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖5

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

調整標尺：數(shù)據(jù)導入后，一般情況下圖層的標尺與數(shù)據(jù)不匹配，此時需要點擊自動調整尺寸的按鈕（圖10紅框所示按鈕），軟件就會自動調整圖層的標尺以匹配數(shù)據(jù)，調整后如圖11所示。

圖6

激活數(shù)據(jù)：調整好圖層標尺后，如圖12所示，選擇導入的數(shù)據(jù)Sample.txt對數(shù)據(jù)進行激活（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，后者為可移動數(shù)據(jù)光標，點擊紅框4所示圖標可交換兩者位置，兩者之間為數(shù)據(jù)選擇區(qū)域，在圖層上滑動鼠標滾輪可對移動數(shù)據(jù)光標進行移動變換數(shù)據(jù)選取范圍。

刪除數(shù)據(jù)點：某些情況下，測試得到的數(shù)據(jù)會有一些不正常的數(shù)據(jù)點，可以將這些不正常的數(shù)據(jù)點刪除以免影響后續(xù)的擬合結果。首先鼠標左鍵框選需要放大的圖層區(qū)域，滑動鼠標滾輪將活動數(shù)據(jù)光標移動到需要刪除的數(shù)據(jù)點，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。

圖7

4建立等效電路模型

不同的電化學體系的等效電路不同，需要分析電化學體系的實際含義并參考相關書籍和文獻建立合適的等效電路，這樣才能得到合理的擬合結果。軟件的具體操作步驟如下所示：點擊等效電路按鈕（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對常用工具進行了簡單的功能說明。

圖8

如圖16所示，在模型顯示編輯區(qū)右擊即可進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擊保存按鈕，保存為模板方便下次使用，此外點擊打印模型按鈕將模型保存為PDF可截圖用于論文。

5擬合并輸出結果

即時擬合：在進行全局擬合之前，我們需要利用即時擬合功能獲取各個元件的初值。如圖19所示，首先點擊即時擬合按鈕后彈出“InstantFit”窗口（步驟1），選擇即時擬合需要的數(shù)據(jù)區(qū)域（步驟2），選擇對應的基本等效電路進行即時擬合（步驟3）。即時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”窗口對應的元件值中（步驟4）。

圖10

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

圖11

數(shù)據(jù)輸出：擬合完成之后，如圖22所示，點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，如果擬合的結果與原來EIS數(shù)據(jù)相差非常大，可能是等效電路的構建錯誤。同一組EIS數(shù)據(jù)可能會有多種等效電路模型，需要根據(jù)實際的電化學過程選擇合理的等效電路模型。

6文獻實例

電極材料的分析中經常用到電化學阻抗譜。圖26為鋰硫電池不同電極材料循環(huán)前后的電化學阻抗譜和對應的等效電路圖。如圖26a所示，所有的Nyquist圖都由在高頻區(qū)的兩個半圓和低頻區(qū)的斜線組成，分別對應電荷轉移，吸附以及擴散過程。如圖26b所示，S/CoOOH電極材料在經過幾次充放電循環(huán)后，其電荷轉移阻抗（Rct）和吸附阻抗（Ws）迅速減小并且始終小于S/superP電極材料，說明CoOOH材料具有優(yōu)異的導電性，同時對多硫化鋰具有很強的吸附能力和催化作用。[2]

圖14

參考文獻:

[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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