Elektrische spectroscopie: hoe een zwak stroompje verklapt wat er binnenin gebeurt
Stel je voor dat je een gesloten doos hebt en wilt weten wat erin zit, zonder hem open te maken. Je zou erop kunnen kloppen en luisteren naar het geluid: klinkt het hol, dof, of rammelt er iets? Elektrische spectroscopie doet iets vergelijkbaars, maar dan met elektriciteit in plaats van geluid. In plaats van te kloppen, stuurt de techniek een heel zwak, wisselend elektrisch signaal door een materiaal of systeem, en luistert ze naar hoe dat signaal 'terugklinkt'. Uit dat antwoord valt af te leiden wat er binnenin gebeurt, zonder dat je iets hoeft open te breken, te doorboren of te vernietigen.
De techniek wordt inmiddels toegepast op heel uiteenlopende plekken: in de accu van een elektrische auto, op de huid bij een controle op huidkanker, in een slimme weegschaal die je lichaamssamenstelling meet, en zelfs in bruggen en pijpleidingen om verborgen roestvorming op te sporen. Officieel heet de techniek meestal 'elektrochemische impedantiespectroscopie' (EIS), maar in populaire teksten wordt vaak de kortere term 'elektrische spectroscopie' gebruikt. Het idee is steeds hetzelfde: meet hoe iets elektrisch reageert op verschillende 'toonhoogtes' van stroom, en lees daaruit informatie af die met het blote oog onzichtbaar blijft.
Wat is het precies?
De basis van elektrische spectroscopie is impedantie. Impedantie is een soort weerstand tegen wisselstroom, maar dan verfijnder dan de gewone elektrische weerstand die je kent van een batterij en een lampje. Waar gewone weerstand alleen aangeeft hóéveel stroom wordt tegengehouden, houdt impedantie ook rekening met vertraging: bij wisselstroom lopen spanning en stroom namelijk niet altijd precies gelijk op in de tijd. Die vertraging, de 'fase', bevat extra informatie over wat er in het materiaal gebeurt.
Bij een meting stuurt een apparaat een heel klein wisselspanningssignaal door het te onderzoeken object, bijvoorbeeld een paar duizendste volt. Dat signaal wordt niet met één vaste snelheid aangeboden, maar met een hele reeks frequenties, van heel langzaam wisselend (een paar keer per seconde) tot heel snel (miljoenen keren per seconde). Bij elke frequentie meet het apparaat hoeveel stroom er loopt en hoe die stroom in de tijd verschuift ten opzichte van de spanning. Dat levert voor elke frequentie een impedantiewaarde op.
Het slimme zit in de volgorde van frequenties. Verschillende fysische en chemische processen in een materiaal spelen zich af op verschillende tijdschalen. Een chemische reactie aan het oppervlak van een batterij-elektrode verloopt bijvoorbeeld trager dan de beweging van losse ladingsdeeltjes door een vloeistof. Door het hele frequentiebereik af te tasten, ontstaat een soort vingerafdruk: een grafiek (vaak een 'Nyquist-plot' of 'Bode-plot' genoemd) waarin elk bergje of buigpunt correspondeert met een ander proces. Onderzoekers vertalen die grafiek vervolgens naar een elektrisch model, met denkbeeldige weerstanden en condensatoren, dat het gedrag van het echte materiaal nabootst. Uit dat model kunnen ze bijvoorbeeld afleiden hoe dik een beschermlaag is, hoeveel vocht er in een materiaal zit, of hoe versleten een batterij is.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grote voordeel van elektrische spectroscopie is dat de meting niet-destructief is: het object hoeft niet stuk, open of leeg te worden gemaakt om iets te weten te komen. Dat is precies waarom de techniek zo aantrekkelijk is voor toepassingen waarbij je iets herhaaldelijk wilt controleren zonder het te beschadigen, zoals een accu die gewoon in gebruik blijft, of huid die intact moet blijven.
Een tweede doel is snelheid en gemak. Traditionele manieren om bijvoorbeeld de gezondheid van een batterij te bepalen, vereisen vaak dat je hem volledig oplaadt en ontlaadt en de tijd meet die dat kost, een proces dat uren kan duren. Een impedantiemeting kan in seconden tot minuten een indicatie geven, wat het bruikbaar maakt voor toepassingen waarbij je snel een oordeel nodig hebt, zoals in een auto die onderweg is.
Daarnaast biedt de techniek gevoeligheid voor subtiele veranderingen die andere metingen missen. Omdat verschillende processen bij verschillende frequenties zichtbaar worden, kan impedantiespectroscopie onderscheid maken tussen bijvoorbeeld een batterij die simpelweg ouder wordt en een batterij die een gevaarlijk inwendig probleem ontwikkelt, iets wat met een enkele spanningsmeting niet te zien is.
Voorbeelden uit de praktijk
In de medische diagnostiek is het Zweedse bedrijf SciBase bekend geworden met Nevisense, een apparaat dat elektrische impedantiespectroscopie van de huid gebruikt als hulpmiddel bij de beoordeling van verdachte moedervlekken, om artsen te ondersteunen bij het inschatten van het risico op melanoom (een agressieve vorm van huidkanker). Het apparaat kreeg in de jaren 2010 goedkeuring van de Amerikaanse toezichthouder FDA en is ook in Europa op de markt; het vervangt de beoordeling door een arts niet, maar dient als extra hulpmiddel.
Veel dichter bij huis staat de slimme weegschaal. Fabrikanten als Withings, Tanita en het Zuid-Koreaanse InBody gebruiken een variant genaamd bio-elektrische impedantieanalyse (BIA) om lichaamssamenstelling te schatten. Doordat vetweefsel en spierweefsel stroom verschillend geleiden, kan een zwak stroompje door de voeten of handen een indicatie geven van vetpercentage en spiermassa. Deze schattingen zijn nuttig om trends te volgen, maar minder nauwkeurig dan medische referentiemethoden zoals een DEXA-scan.
In de batterijtechniek gebruiken onderzoeksinstituten zoals het Duitse Fraunhofer ISE impedantiespectroscopie om te onderzoeken hoe lithium-ionbatterijen verouderen en om vroege waarschuwingssignalen te vinden voor gevaarlijke situaties, zoals inwendige kortsluitingen. Ook universitaire onderzoeksgroepen in het Verenigd Koninkrijk, waaronder aan Imperial College London en Newcastle University, publiceren regelmatig over impedantie-gebaseerde batterijdiagnostiek, met als uiteindelijk doel dat elektrische auto's en batterijopslagsystemen sneller en betrouwbaarder hun eigen gezondheidstoestand kunnen inschatten.
In de infrastructuur wordt de techniek al langer ingezet om corrosie van betonwapening in bruggen en van metalen pijpleidingen te volgen: doordat roestvorming een elektrochemisch proces is, laat het een herkenbaar spoor achter in de impedantiemeting, nog voordat scheuren of lekkages zichtbaar worden.
Hoe ver is de techniek?
Elektrochemische impedantiespectroscopie zelf is geen nieuwe uitvinding: het meetprincipe bestaat al decennia en wordt sinds de jaren tachtig en negentig van de vorige eeuw gebruikt in laboratoria voor materiaalonderzoek en elektrochemie. Wat de afgelopen tien à vijftien jaar wél is veranderd, is dat de apparatuur kleiner, goedkoper en sneller is geworden, waardoor de techniek uit het laboratorium is gestapt en in consumentenproducten en industriële toepassingen is beland.
In gebieden als batterijdiagnostiek voor elektrische voertuigen bevindt de toepassing zich nog vooral in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase: er zijn veelbelovende resultaten in publicaties en prototypes, maar het op grote schaal inbouwen van real-time impedantiemetingen in het batterijmanagementsysteem van in de winkel verkrijgbare auto's staat nog in de kinderschoenen. Een belangrijk obstakel is dat metingen bij lage frequenties relatief lang duren en gevoelig zijn voor ruis en temperatuurschommelingen, wat de interpretatie in de praktijk lastiger maakt dan in een gecontroleerde laboratoriumopstelling.
In de medische en consumentensector, zoals bij huidonderzoek en lichaamssamenstelling, is de techniek al wel gecommercialiseerd, maar met duidelijke beperkingen die fabrikanten doorgaans ook zelf vermelden: de metingen zijn hulpmiddelen en schattingen, geen vervanging voor grondig medisch onderzoek of nauwkeurige laboratoriummethoden.
Wie werken eraan?
Op het gebied van meetapparatuur zijn bedrijven als het Amerikaanse Gamry Instruments, het Duitse Zahner en Metrohm Autolab (met wortels in Utrecht, Nederland) bekende namen; zij leveren de zogeheten potentiostaten en impedantie-analysers die in laboratoria wereldwijd worden gebruikt. Op onderzoeksgebied speelt Fraunhofer ISE in Duitsland een prominente rol in batterijdiagnostiek, naast universitaire groepen in het Verenigd Koninkrijk (onder meer Imperial College London en Newcastle University) en de Verenigde Staten (waaronder MIT). In de medische hoek is SciBase uit Zweden het bekendste voorbeeld van commercialisering, terwijl InBody uit Zuid-Korea een grote speler is in bio-elektrische impedantieanalyse voor lichaamssamenstelling. Ook Nederlandse kennisinstellingen zoals TU Delft en TNO doen onderzoek naar impedantiegebaseerde diagnostiek, onder meer in de context van batterijen en materiaaldegradatie, al is dit onderzoek doorgaans onderdeel van bredere programma's rond energieopslag en niet altijd apart zichtbaar als 'impedantiespectroscopie-onderzoek'.