Редкий случай в научной периодике: предметом публикации становится не новый научный результат (новый материал, рекордная ёмкость, неожиданное физическое явление), а новая методика измерений – способ получить данные, которые до этого были недоступны или требовали дорогостоящего специализированного оборудования.

И для таких работ существуют отдельные журналы, целенаправленно публикующие методические и инструментальные разработки. Они не конкурируют с профильными изданиями по материалам или электрохимии, а занимают свою нишу — между инженерией, метрологией и прикладной наукой.

Примеры специализированных журналов

• Measurement Science and Technology (IOP Publishing) — старейший в мире журнал по научному приборостроению и измерениям, основан в 1923 году. Публикует работы по теории, практике и применению измерений, включая новые измерительные методики и связанное с ними оборудование.
• Review of Scientific Instruments (AIP Publishing) — журнал, ориентированный на новые достижения в области научного приборостроения, аппаратуры и методик экспериментальных измерений во всех областях науки, включая физику, химию и биологию.
• Instruments and Experimental Techniques (Springer) — рецензируемый журнал, посвящённый развитию физических методов и методик измерений, а также принципам работы и применению физических приборов.
• Measurement (Elsevier, IMEKO) — журнал Международной конфедерации по измерениям, публикующий работы по всем областям измерительной науки и техники, включая новые достижения в методах и приборах.
• IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement — одно из ключевых изданий в области приборостроения и измерений, наряду с Metrologia и IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement.
• ACS Measurement Science Au (ACS Publications) — относительно новый журнал, публикующий исследования в области измерительной и аналитической науки — от пробоотбора и измерений до анализа данных.

Именно в этой нише — на стыке измерительной техники и электрохимии — и находится работа Евгения Астафьева, о которой пойдёт речь. Её предмет — не новый материал и не рекордный показатель, а способ измерения, который делает импедансную диагностику батарей доступнее.

О чём это исследование

Химические источники тока — от литий-ионных аккумуляторов до перспективных металл-ионных систем — требуют постоянного контроля своего состояния: степени заряженности (SOC) и состояния здоровья (SOH). Среди множества диагностических методов особое место занимает измерение электрохимического импеданса — метод неразрушающий, информативный и востребованный как в прикладной диагностике, так и в лабораторной практике при разработке новых материалов.

Однако у классической импедансной спектроскопии есть практическое ограничение: она требует специального оборудования — генераторов синусоидального сигнала, быстрых АЦП, соответствующего программного обеспечения. Далеко не каждый коммерческий потенциостат, даже вполне современный, располагает такими возможностями. В результате импедансные измерения остаются уделом специализированных приборов, тогда как, например, циклическая вольтамперометрия (ЦВА) доступна практически на любом потенциостате.

Автор исследования предложил решение давней практической проблемы: как измерить импеданс аккумулятора, имея под рукой лишь обычный потенциостат, предназначенный для вольтамперометрии, – без специального импедансного оборудования и генераторов синусоидального сигнала. Иными словами, он нашёл способ получать импедансные спектры на приборе, который для этого напрямую не предназначен.

Суть предложенного подхода

Идея проста и изящна. Классическая ЦВА предполагает линейную развёртку потенциала с определённой скоростью. Если амплитуда сигнала мала (до 20 мВ), система остаётся в квазилинейной области — той же самой, в которой работает классическая импедансная спектроскопия с синусоидальным возбуждением. Скорость развёртки при этом оказывается пропорциональна частоте: одна развёртка — одна частота. Меняя скорость развёртки, можно последовательно пройти весь низкочастотный диапазон.

Более того, большинство коммерческих потенциостатов уже умеют автоматически выполнять серию развёрток с равным отношением соседних скоростей — по сути, это готовый генератор частотной развёртки, только не синусоидальной, а треугольной формы. Автор разработал программную процедуру, которая обрабатывает набор таких вольтамперограмм и автоматически строит импедансный спектр.

Отдельно стоит отметить, что традиционно треугольные сигналы в электрохимии применялись в большеамплитудном, нелинейном режиме — например, для измерения импеданса электролитов при амплитудах 200–1200 мВ. Здесь же речь идёт о принципиально ином, малосигнальном применении, приближенном к классическому импедансному анализу.

Что показали результаты

Исследование продемонстрировало, что предложенная методика позволяет получать качественные и надёжные импедансные спектры, сравнимые с результатами, полученными при синусоидальном возбуждении. При этом:

• воспроизводимость и точность оказались выше, чем у импульсных методов;
• воздействие на объект — мягче, а точность — выше, чем при возбуждении прямоугольным сигналом;
• появилась возможность оценивать реальную часть импеданса через расчёт поляризационного сопротивления по данным ЦВА — без использования преобразования Фурье.

Основной интерес автора был сосредоточен на низкочастотной области (до 100–200 Гц). Именно здесь предложенный метод показывает себя наилучшим образом. Возможность высокочастотных измерений рассматривалась как опциональная — для более полного понимания характеристик метода на данном этапе.

Работа предлагает практичное решение для лабораторий, оснащённых обычными потенциостатами без импедансных модулей. Метод не требует дополнительного оборудования, опирается на стандартные функции прибора и автоматизируется программно. Это делает импедансную диагностику батарей доступнее — а значит, расширяет возможности исследователей, работающих над новыми материалами и системами накопления энергии.

Evgeny Astafev // The measurement of electrochemical impedance of batteries with the use of cyclic voltammetry technique // Measurement, vol. 289, IF=6.1, Q-1

The measurement of electrochemical impedance of batteries with the use of cyclic voltammetry technique – ScienceDirect