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走進(jìn)電化學(xué) | 電化學(xué)研究的秘密武器—三電極體系

元能科技 2024-05-22 | 閱讀：4708

不知道你有沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)三電極體系,？它可能跟我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾姵赝耆煌?，因?yàn)槲覀儗?duì)電池的認(rèn)知通常是兩電極：正極和負(fù)極。那么,，為什么會(huì)有一個(gè)三電極系統(tǒng)呢,？它的結(jié)構(gòu)是什么樣子的？我們?yōu)槭裁纯床坏诫姵氐牡谌齻€(gè)電極,？它到底有什么用途,？小編還記得，剛接觸三電極體系時(shí),，也是一臉茫然,。當(dāng)時(shí)的認(rèn)知還僅僅停留在用戶(hù)層面,，從未走進(jìn)過(guò)實(shí)驗(yàn)室看過(guò)真正的三電極系統(tǒng),。好奇心激發(fā)了我對(duì)電化學(xué)的興趣，這也為我投身電化學(xué)研究奠定了基礎(chǔ),。今天小編決定用自己的理解和研究中的感悟,，來(lái)挖一挖三電極體系的神奇之處。

什么是三電極體系,？

三電極體系由三個(gè)電極組成：工作電極（Working Electrode, WE）,、對(duì)電極（Counter Electrode, CE）和參比電極（Reference Electrode, RE）。每個(gè)電極都有其獨(dú)特的功能和作用,。

工作電極（WE）：這是研究的核心,。在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在工作電極的表面,。它就像實(shí)驗(yàn)室中的試驗(yàn)田,，我們?cè)谶@里觀察和記錄反應(yīng)的過(guò)程和結(jié)果。工作電極需滿(mǎn)足幾個(gè)條件：①所研究的電化學(xué)反應(yīng)不會(huì)因電極自身所發(fā)生的反應(yīng)受到影響,，且能適配較寬的電壓范圍,。②電極必須不與溶劑或電解液組分發(fā)生反應(yīng)。③電極面積不宜太大,，表面均一平滑,，且能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行表面凈化。工作電極通常是“惰性”的,，常見(jiàn)的固體電極有玻碳,、鉑、金、銀,、鉛,、導(dǎo)電玻璃（FTO,ITO等）。常用的液體電極有液態(tài)汞,。采用固體電極時(shí),，為了保證實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性，需注意建立合適的電極預(yù)處理步驟,。

對(duì)電極（CE）：也稱(chēng)為輔助電極,，它與工作電極形成電流回路，允許電流在電化學(xué)電池中流動(dòng),。對(duì)電極的主要作用是平衡工作電極的電流,，保證整個(gè)系統(tǒng)的電流穩(wěn)定。對(duì)電極材料一般是高導(dǎo)電性且化學(xué)穩(wěn)定的材料,，如鉑或石墨,。

參比電極（RE）：這是一個(gè)電位穩(wěn)定的電極，不參與反應(yīng),，提供一個(gè)恒定的參考電位,。參比電極的重要性在于它能夠?yàn)楣ぷ麟姌O的電位提供一個(gè)精確的參考點(diǎn)，確保電化學(xué)測(cè)量的準(zhǔn)確性,。常用的參比電極有飽和甘汞電極（SCE）和銀/氯化銀電極（Ag/AgCl）,。

為什么三電極體系如此重要？

在電化學(xué)研究的早期,，人們主要使用兩電極體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。兩電極體系雖然簡(jiǎn)單，但存在一些顯著的缺陷,，特別是在測(cè)量和控制電極電位方面存在較大的誤差,。1920年代，電化學(xué)家們開(kāi)始引入?yún)⒈入姌O,，從而發(fā)明了三電極體系,，這一舉措大大提升了電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的精度和重現(xiàn)性。簡(jiǎn)單而言,，引入三電極給電化學(xué)研究帶來(lái)了兩個(gè)好處：

1.精確的電位控制

參比電極的引入使得我們可以獨(dú)立測(cè)量和控制工作電極的電位,，而不受電流影響。這種獨(dú)立性極大地提高了實(shí)驗(yàn)的精確性,，特別是在研究電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和機(jī)理時(shí),，能夠提供更加可靠的數(shù)據(jù)。

2.分析復(fù)雜電化學(xué)系統(tǒng)

在兩電極體系中,，測(cè)量結(jié)果往往受到電解液,、電極材料和電流路徑等多種因素的影響,，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性較差,。而在三電極體系中,，參比電極提供了一個(gè)穩(wěn)定的電位參考，使得我們可以更清晰地分離和分析電化學(xué)系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)和過(guò)程,。

三電極體系的結(jié)構(gòu)和連接

三電極體系通常需要與電化學(xué)工作站或者充放電設(shè)備聯(lián)用,，用來(lái)給體系提供電壓和電流，同時(shí)精確測(cè)量電壓和電流,?？梢院?jiǎn)單地理解為，在工作電極和對(duì)電極之間接了一個(gè)電流表,，在工作電極和參比電極之間接了一個(gè)電壓表,。三電極體系由工作電極、參比電極和對(duì)電極組成兩個(gè)回路：一個(gè)用來(lái)測(cè)試電極電位,，另一個(gè)用來(lái)測(cè)試電流,，這就是所謂的“三電極兩回路”。

三電極體系結(jié)構(gòu)

在電化學(xué)研究中,，特別是針對(duì)電池的研究,，三電極體系的使用已成為標(biāo)準(zhǔn)方法。這種方法能夠提供精確的電位控制和獨(dú)立的電流測(cè)量,。然而,，要充分發(fā)揮三電極體系的優(yōu)勢(shì)，需要高精度的電化學(xué)分析儀來(lái)配合使用,。以下是幾個(gè)關(guān)鍵原因和詳細(xì)解釋,。

元能電化學(xué)分析儀實(shí)例

1. 精確的電位控制

三電極體系中的參比電極提供了一個(gè)穩(wěn)定的電位參考，用于精確控制和測(cè)量工作電極的電位,。高精度電化學(xué)工作站具有高靈敏度和低噪聲特性,，能夠在極低的電流下保持電位的穩(wěn)定性。這對(duì)于研究電池中的微小電化學(xué)變化至關(guān)重要,。例如,，在研究鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，SEI膜的形成電位范圍通常很窄,。元能電化學(xué)分析儀可以在微伏級(jí)別（μV）的電位變化下進(jìn)行精確控制和測(cè)量,，從而獲得可靠的數(shù)據(jù)。

電壓的控制實(shí)例：設(shè)定值：4.5V,；實(shí)測(cè)值：4.5V ± 100μV

2. 準(zhǔn)確的電流測(cè)量

電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和機(jī)理研究需要精確測(cè)量電流響應(yīng),。元能電化學(xué)分析儀能夠提供高達(dá)納安級(jí)別（nA）的電流測(cè)量精度，這對(duì)于分析電池材料的電荷轉(zhuǎn)移阻抗,、反應(yīng)速率等參數(shù)至關(guān)重要,。例如在循環(huán)伏安法（CV）測(cè)試中，研究人員需要測(cè)量電極反應(yīng)的峰電流和電位。元能的電化學(xué)分析儀的將行業(yè)電流測(cè)量精度提升至0.01%,，可以提供準(zhǔn)確的電流數(shù)據(jù),，確保CV曲線(xiàn)的精度和可重復(fù)性。

電流的控制實(shí)例：設(shè)定值：100mA,；實(shí)測(cè)值：100mA ± 5μA

3. 低噪聲特性

電化學(xué)信號(hào)往往非常微弱,，容易受到外部環(huán)境噪聲的影響。元能電化學(xué)分析儀設(shè)計(jì)上采用了多種抗干擾技術(shù),，能夠有效減少噪聲,，提升信號(hào)的純凈度。這對(duì)于獲取高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常重要,。

例如在電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試中,，高頻噪聲可能會(huì)影響高頻區(qū)的阻抗測(cè)量結(jié)果。元能研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)EIS模塊集成化方案,，低噪聲設(shè)計(jì),，可以獲得更準(zhǔn)確的EIS譜圖，幫助研究人員更好地分析電池的內(nèi)阻和界面特性,。

元能電化學(xué)分析儀EIS工步設(shè)置和EIS數(shù)據(jù)展示

4. 寬頻率響應(yīng)范圍

電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試涉及從低頻到高頻的廣泛頻率范圍,。元能電化學(xué)分析儀具有寬頻率響應(yīng)范圍，能夠覆蓋從0.01Hz到100kHz的頻率區(qū)間,，滿(mǎn)足不同研究需求,。例如在研究電池的離子擴(kuò)散過(guò)程通常需要低頻EIS數(shù)據(jù)，而研究電極材料的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)則需要高頻EIS數(shù)據(jù),。元能高精度電化學(xué)分析儀能夠在整個(gè)頻率范圍內(nèi)提供一致和準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果,。

不同頻率段EIS表征的電化學(xué)體系的物理化學(xué)性質(zhì)

5. 多功能集成

元能高精度電化學(xué)分析儀集成了多種電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，如循環(huán)伏安法（CV）,、恒電位滴定技術(shù)（PITT）,、恒電流滴定技術(shù)（GITT）等。這些技術(shù)的組合使用,，能夠全面表征電池材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,。元能電化學(xué)分析儀除了常規(guī)的充放電功能外，集成了電化學(xué)工作站常用的CV和EIS模塊,，滿(mǎn)足客戶(hù)多場(chǎng)景的應(yīng)用,。

元能電化學(xué)分析儀工步預(yù)覽

6. 數(shù)據(jù)處理和分析

元能電化學(xué)分析儀配備先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和分析軟件，能夠?qū)?fù)雜的電化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和多維分析,。這對(duì)于理解電池材料的行為和優(yōu)化電池性能非常有幫助,。小編認(rèn)為，硬件的參數(shù)并不是制約目前電化學(xué)工作站國(guó)產(chǎn)化的主要因素,，電路和器件的優(yōu)化確實(shí)能夠在一定程度上改善電化學(xué)測(cè)試的結(jié)果,，但是隨之成本的增加和與之帶來(lái)的“收益”并沒(méi)有完全受到市場(chǎng)的認(rèn)可,。一套不僅能夠展示數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化分析的智能化數(shù)據(jù)分析軟件就顯得迫在眉睫,。當(dāng)然,，元能電化學(xué)分析儀也是朝著這個(gè)方向發(fā)展，歡迎大家聯(lián)系我們,，了解設(shè)備的詳細(xì)信息,。

希望通過(guò)這篇文章,，大家對(duì)三電極體系有了更深入的了解,。從用戶(hù)層面講，我們?cè)趯?shí)際使用過(guò)程中看不到三電極結(jié)構(gòu)的電芯,，但對(duì)于電芯前期實(shí)驗(yàn)室階段的研發(fā)起到了至關(guān)重要的作用,。通過(guò)EIS測(cè)量，可以解析出SEI膜的阻抗特性,，了解其對(duì)電池性能的影響,；通過(guò)CV測(cè)量，可以分析電極材料的氧化還原反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)參數(shù),；通過(guò)PITT和GITT測(cè)量,，可以獲取電極材料的化學(xué)勢(shì)和擴(kuò)散系數(shù)，從而優(yōu)化材料的設(shè)計(jì)和電池的性能,?？傮w而言，三電極體系的引入為精準(zhǔn)的研究復(fù)雜電化學(xué)體系提供了可行性,，期待三電極體系能夠繼續(xù)發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),，為電化學(xué)科學(xué)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)