看EIS的Nyquist图,很多人先盯着高频半圆,却忽略了低频区的“尾巴”。低频斜线、弯曲或近垂直,并不是简单的图形差异,而是在反映电荷转移之后,体系是否受到扩散、传质、吸附或孔道阻力的影响。
但仅靠肉眼判断只能完成初步分析。
想进一步区分扩散控制、赝电容行为和多过程耦合,还需要借助 《EIS拟合软件:史上最全Zsimpwin、NOVA安装包、视频、教程》中的工具才能分析透彻!
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先定位低频区
Nyquist图一般横轴是Z’,纵轴是-Z”。频率从左往右通常由高到低,高频端常反映溶液电阻、接触电阻和界面电荷转移;低频端则更容易出现扩散、吸附、孔道离子迁移、浓差极化和电容储能等慢过程。也就是说,半圆之后的尾巴,往往不是“测试没画完”,而是体系进入了更慢的响应区。
判断低频形状时,不能只看一张Nyquist图。最好同时看Bode图中的相位角、低频模量变化,以及拟合残差。同样一条尾巴,在电池、电催化、腐蚀和超级电容器里的含义可能不同。比如电催化里低频尾巴常和传质或气泡覆盖有关;超级电容器里接近垂直线反而可能说明电容行为更理想。
一个实用原则是:先看高频截距确定Rs,再看半圆判断Rct,最后看低频尾巴判断慢过程。如果高频半圆都没稳定、低频数据又很散,就不要急着给尾巴套Warburg或CPE元件。

图1 文献中的 Nyquist 图把半圆、低频尾巴和等效电路放在一起,读图时应先定位高频半圆与低频末端,再判断扩散、电容或界面阻力。来源:Frontiers in Chemistry, 2022,DOI: 10.3389/fchem.2022.951639。

斜线多指向扩散控制
低频区如果出现接近45°的斜线,最常见解释是Warburg扩散阻抗,也就是反应物、离子或产物在界面附近的扩散开始限制响应。理想半无限扩散下,Z’和-Z”会一起增加,Nyquist图上就表现为近似45°斜线。
这类斜线常见于锂/钠离子电池电极、赝电容材料、腐蚀体系、电催化反应物或产物传质受限的情况。比如活性颗粒内部离子扩散慢、电解液孔道曲折、催化层太厚、气泡覆盖表面,低频区都可能拖出明显斜线。
但45°斜线只能说明扩散因素很重要,不能自动说明“离子扩散系数更高”。要比较扩散快慢,还要结合Warburg系数、低频拟合区间、CV扫描速率、GITT/PITT或浓度梯度条件。若低频点数太少,强行拟合扩散系数很容易失真。


弯线说明过程不再单一
低频区如果不是直斜线,而是弯上去、弯平或出现拖尾,通常说明体系不是简单的半无限扩散。常见原因包括有限长度扩散、孔道内分布式传输、吸附/脱附过程、反应-扩散耦合、表面膜层变化、浓差极化逐渐增强,或者测试过程中体系没有完全稳定。
弯上去时,曲线可能从扩散特征逐渐转向更电容化或阻挡型响应;弯平时,可能说明扩散长度有限、浓度边界达到限制,或者低频处出现泄漏、法拉第副反应和非理想电容。多孔电极尤其容易出现弯线,因为孔内外电解液、电荷转移和双电层充放电并不是同一个时间常数。
遇到弯线,不要只用一个简单Warburg元件糊过去。可以尝试有限长度Warburg、传输线模型、Gerischer元件或CPE组合,但前提是这些元件真的对应你的物理过程。EIS拟合不是元件越多越高级,而是每个元件都要能被材料结构和实验条件解释。


垂直线代表电容或阻挡
低频区接近垂直线时,常见解释是电容行为占主导,理想电容器的Nyquist低频响应会趋近垂直,Bode相位角也会接近-90°。在超级电容器、离子存储电极和阻挡电极中,这种形状经常被用来说明离子能进入界面并形成较理想的电容响应。
但垂直线也要分体系看。在超级电容器里,越接近垂直通常越像理想电容;在电催化或腐蚀体系里,低频接近垂直可能意味着界面被阻挡、反应物难以继续发生法拉第过程,或者电极表面主要在充放电而不是发生有效反应。垂直线不是“阻抗小”的同义词,而是相位关系更接近电容。
实际判断时,可以把低频尾巴和相位角、等效电路、循环前后EIS、CV形状一起看。如果CV接近矩形、Bode相位角接近-90°、低频Nyquist接近垂直,说明电容行为较强;如果CV有明显法拉第峰、低频又弯曲或散乱,就要考虑吸附、扩散和副反应共同影响。

图4 接近垂直的低频尾巴常见于电容主导或离子储能型电极;原文也将半圆、45°斜线和低频垂直线作为 Nyquist 图的三个典型区域来讨论。来源:Electronics, 2019,DOI: 10.3390/electronics8020254。

总结
总的来说,低频区约45°斜线通常提示扩散或传质控制;弯曲说明体系可能存在有限扩散、多孔传输、吸附或反应-扩散耦合;接近垂直则常与电容化、离子储能或阻挡边界有关。
不过,Nyquist图的形状只能帮助我们缩小判断范围,不能直接确定唯一机理。真正可靠的分析,还需要结合Bode相位角、特征频率和测试稳定性,选择合理的等效电路,再通过拟合结果判断各过程的阻抗贡献。
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