Introducción
La espectroscopia de impedancia electroquímica híbrida (EIS) es un experimento de espectroscopia de impedancia galvanostática que se puede utilizar para muestras cuya impedancia varía significativamente con la frecuencia. Tiene la ventaja, por sobre las mediciones de impedancia galvanostática, que la corriente se ajusta a medida que la impedancia cambia en cada frecuencia. Es útil para dispositivos de almacenamiento de energía como baterías y supercapacitores que presentan bajas impedancia, lo que dificulta la elección de la corriente AC necesaria.
Implementación en el Framework de Gamry
Los experimentos EIS híbridos están disponibles en el Framework de Gamry y en el Sequence Wizard de Gamry.
Figura 1: Página de Configuración para EIS Híbrida
Al igual que en la mayoría de los experimentos de impedancia, los primeros parámetros son la gama de frecuencia para el experimento, las frecuencias inicial y final, y qué tan seguido desea muestrear la respuesta de frecuencia, puntos por década. Luego, debemos seleccionar la amplitud de la señal AC. El valor requerido es en mV, pero este es un experimento galvanostático, por lo que es el software el que calculará la corriente AC requerida. Esto se realiza a partir del valor de la impedancia estimada (Z Estimada), que se introduce para la frecuencia inicial del experimento. La corriente DC es el siguiente parámetro, que normalmente se configuraría en cero si se mantiene el estado actual de carga de la batería. Por último, hay tres opciones para la velocidad del experimento. La opción «Rápida» se utiliza para obtener una evaluación inicial rápida del espectro de impedancia de su dispositivo. «Normal» es la opción elegida por la mayoría de las personas y «Bajo Ruido» es la opción si se está midiendo señales pequeñas (ya sea corriente o voltaje). La opción «Bajo Ruido» tarda más tiempo en ejecutar el experimento.
Posibles mensajes de error
El software tiene algunos límites internos para orientar al usuario cuando la señal de corriente aplicada puede ser demasiado pequeña o grande. Uno de los mensajes de error que podría aparecer se muestra en la figura 2.
Figura 2: Mensaje de Error cuando la señal es demasiado pequeña.
La Figura 3 muestra el mensaje de error si la corriente requerida es demasiado grande para el potenciostato que está utilizando. Recuerde que es la corriente calculada, por lo tanto, deberá cambiarla en los parámetros de entrada. Disminuya la amplitud del voltaje AC, disminuya la frecuencia inicial o vuelva a examinar su Z estimada. Las sugerencias generales para la Z estimada serían 1 ohm para una celda tipo de botón, 0,1 ohm para una celda cilíndrica y celdas más grandes.
Figura 3: Mensaje de Error cuando la corriente calculada es demasiado grande.
Comparación entre EIS híbrida y potenciostática
Se realizó un estudio comparativo de la batería Panasonic 18650 utilizando experimentos EIS híbridos y EIS potenciostáticos. El espectro de impedancia de la batería fue registrado bajo condiciones similares. La Figura 4 muestra el espectro ejecutado con el experimento EIS híbrido y la Figura 5 muestra el experimento EIS potenciostático.
La superposición de los dos espectros (Figura 6) muestra diferencias mínimas entre los dos experimentos.
Figura 4: Diagrama de Bode registrado con EIS Híbrida.
Figura 5: Diagrama de Bode registrado con EIS Potenciostática.
Figura 6: Diagrama de Nyquist, superposición de 2 espectros.
Conclusión
El experimento EIS híbrido es una alternativa útil al EIS potenciostático bajo ciertas condiciones o para dispositivos en los que resulta difícil realizar la técnica EIS potenciostática. En este artículo se indican los parámetros experimentales y algunas de las limitaciones, además de una prueba comparativa que muestra diferencias mínimas entre los dos métodos para una batería 18650.