基于线性不可逆热力学的多孔电极多物理阻抗谱

Junning Jiao; Juner Zhu

基于线性不可逆热力学的多孔电极多物理阻抗谱

材料科学 2026-06-28 v1 应用物理

作者: Junning Jiao , Juner Zhu

摘要

多孔电极耦合了电场、化学场、力学场、水力场与热场，然而常规频域诊断仅探测其中之一：电化学阻抗谱 (EIS) 探测电响应，动态力学分析 (DMA) 探测力学响应。各自仅读取多物理本构矩阵的一个对角项，对控制结构演化与退化的交叉耦合视而不见。从线性不可逆热力学出发，我们构建了多物理阻抗谱的一般理论，其中扰动一个场并测量另一个场的共轭响应，即可探测本构矩阵的非对角项，恢复静态耦合系数并分辨其在频域上的弛豫动力学。特化到电-化学-力学路径，导出了力学-电化学阻抗谱 (MEIS) 的闭式理论，其中施加小幅谐波电流并测量堆叠应力；阻抗分解为化学累积项与化学力学及孔隙力学核之和的乘积。孔隙度协调桥接函数由 Helmholtz 自由能导出——源于微观结构刚度与粘度而非拟合形式——三相（固-液-空）闭合通过空穴协调分数在非饱和与 Biot 饱和极限之间连续插值。无量纲化将谱简化为五个群，识别出相角作为化学力学参数的判别量，并定位了第二象限行为的起始点，在全电池中这源于膨胀电极与收缩电极之间的竞争。MEIS 作为同一框架所能实现的交叉耦合谱系的一个成员涌现。

关键词

多孔电极阻抗谱线性不可逆热力学力学-电化学耦合多物理本构矩阵 Biot饱和极限

引用

@article{arxiv.2606.29257,
  title  = {Multiphysical impedance spectroscopy of porous electrodes based on linear irreversible thermodynamics},
  author = {Junning Jiao and Juner Zhu},
  journal= {arXiv preprint arXiv:2606.29257},
  year   = {2026}
}