La espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS por sus siglas en inglés “Electrochemical Impedance Spectroscopy”) se utiliza ampliamente para estudiar sistemas electroquímicos. Al aplicar una pequeña señal sinusoidal a un sistema electroquímico y medir su respuesta en un rango de frecuencias, la EIS ofrece una ventana a los intrincados procesos de transferencia de carga, transporte de masa y efectos de la doble capa electroquímica: fenómenos clave que determinan el rendimiento del sistema.

Sin embargo, en la práctica, los experimentos EIS no siempre se ajustan a los modelos ideales, sino que existen casos no ideales que se pueden estudiar en COMSOL Multiphysics®:

• Reacciones de transferencia de carga con absorción/desorción. La Figura 1 muestra un diagrama de Nyquist de una celda electroquímica en la que varía la concentración de las sustancias que recubren los electrodos.
• Impacto de la transferencia de masa. La Figura 2 muestra los resultados de una simulación de EIS en COMSOL Multiphysics^® para estudiar contribuciones de la cinética de la reacción y el transporte de masa a voltajes de operación de 0,4 V, 0 V y -0,4 V.
• Electo de la rugosidad de los electrodos (Figura 3).
• Elementos de Fase Constante Locales en Reacciones de Electrodos.

COMSOL Multiphysics® se puede utilizar para estudiar estos efectos en dispositivos y estudiar fenómenos como:

• Baterías: Desde la electrónica de consumo hasta los vehículos eléctricos, la EIS puede utilizarse para analizar el transporte de iones y electrones dentro de la celda, identificando posibles degradaciones y pérdida de capacidad.
• Pilas de combustible: Las capas catalíticas, las membranas y los flujos de reactivos pueden evaluarse mediante EIS, proporcionando información que contribuye a mejorar el rendimiento y la vida útil de las celdas de combustible.
• Sensores: Las interacciones de los electrodos con moléculas objetivo pueden evaluarse mediante EIS, lo que permite aplicaciones como la monitorización de glucosa mediante la detección de cambios de concentración en fluidos biológicos.

Figura 1. Diagrama de Nyquist para una celda electroquímica en dos tiempos transcurridos (t = 0 min y t = 2 min).

Figura 2. Diagramas de Nyquist de la pila de combustible PEM operando a 0,4 V, 0 V y -0,4 V.

Figura 3. Geometría de una celda con diferentes formas de superficie del electrodo: un copo de nieve de Koch y una superficie plana.

Referencias

• C. You (COMSOL Blog) 2025: https://www.comsol.com/blogs/modeling-nonidealities-in-electrochemical-impedance-spectroscopy
• V. Vivier and M. E. Orazem, “Impedance Analysis of Electrochemical Systems,” Chemical Reviews, vol. 122, issue 12, article 11131–11168, 2022.
• C. You. et al., “Experimental observation of ohmic impedance,” Electrochimica Acta, vol. 413, 2022.
• S. Wang et al., “Electrochemical impedance spectroscopy,” Nature Reviews Methods Primers, vol. 1, article 41, 2021. Doi: 10.1038/s43586-021-00039-w
• A. Lasia, “The Origin of the Constant Phase Element,” J. Phys. Chem. Lett., vol. 13, issue 2, pp. 580–589, 2022.