Elektrochemische Impedanzspektroskopie

Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine leistungsfähige Analysemethode, die wir verwenden, um die elektrischen Eigenschaften von Funktionskeramiken zu untersuchen. Sie basiert auf der Messung der Impedanz (zeitabhängiges Verhältnis von Spannung zu Strom), also des Widerstands eines Systems gegenüber einem Wechselstrom, über einen bestimmten Frequenzbereich. Dafür wird ein sinusförmiger Wechselstrom mit variierenden Frequenzen an das elektrochemische System angelegt und die Impedanz gemessen. Da die Frequenzabhängigkeit verschiedener physikalischer Prozesse unterschiedlich ist, lassen sich so Rückschlüsse auf die Prozesse schließen. Beispielsweise kann zwischen Ladungstransfer (schnell) und Diffusion (langsam) unterschieden werden. Aber auch Mikrostruktureinflüsse, wie die unterschiedliche Leitfähigkeit von Körner und Korngrenzen lässt sich unterscheiden.

Dargestellt wird die Impedanz meist mithilfe eines Nyquist-Diagramms, in dem unterschiedliche Prozesse als Halbkreise zu erkennen sind. Um die gemessenen Impedanzdaten zu interpretieren, werden äquivalente Schaltkreise verwendet, die die physikalischen Prozesse im System modellieren. Diese Modelle erlauben es den Widerstand und die Kapazität eines Prozesses zu bestimmen und diesen Prozess einem Bestandteil der Probe zuzuweisen. So lassen sich Körner und Korngrenzen anhand ihrer Kapazität unterscheiden. Da jeder Kapazität ein Widerstand zugewiesen ist, lässt sich somit auch die Leitfähigkeit von unterschiedlichen Mikrostrukturelementen bestimmen. Dies ist besonders für Funktionskeramiken in Energiematerialien wie Batterien und Brennstoffzellen essentiell, um deren Eigenschaften gezielt zu verbessern.