Pojemność dwuwarstwowa - Double-layer capacitance

Pojemność dwuwarstwowa jest ważną cechą podwójnej warstwy elektrycznej, która pojawia się na przykład na granicy między elektrodą przewodzącą a sąsiednim ciekłym elektrolitem . Na tej granicy tworzą się dwie warstwy ładunku o przeciwnych biegunach, jedna na powierzchni elektrody, a druga w elektrolicie. Te dwie warstwy, elektrony na elektrodzie i jony w elektrolicie, są zwykle oddzielone pojedynczą warstwą cząsteczek rozpuszczalnika, które przylegają do powierzchni elektrody i działają jak dielektryk w konwencjonalnym kondensatorze . Ilość ładunku elektrycznego zgromadzonego w dwuwarstwowym kondensatorze zależy od przyłożonego napięcia . Jednostką pojemności jest farad .

Pojemność dwuwarstwowa jest fizyczną zasadą stojącą za elektrostatycznym dwuwarstwowym typem superkondensatorów .

Historia

• Opracowanie modelu podwójnej warstwy i pseudopojemności patrz Podwójna warstwa (międzyfazowa)
• Rozwój komponentów elektrochemicznych patrz Superkondensatory

Pojemność

Uproszczony widok podwójnej warstwy jonów ujemnych w elektrodzie i solwatowanych jonów dodatnich w ciekłym elektrolicie, oddzielonych warstwą spolaryzowanych cząsteczek rozpuszczalnika.

Helmholtz położył teoretyczne podstawy do zrozumienia zjawiska podwójnej warstwy. Tworzenie podwójnych warstw jest wykorzystywane w każdym kondensatorze elektrochemicznym do magazynowania energii elektrycznej.

Każdy kondensator posiada dwie elektrody, oddzielone mechanicznie separatorem. Są one połączone elektrycznie przez elektrolit, mieszaninę jonów dodatnich i ujemnych rozpuszczonych w rozpuszczalniku, takim jak woda. Tam, gdzie ciekły elektrolit styka się z przewodzącą metalową powierzchnią elektrody, tworzy się interfejs, który stanowi wspólną granicę między dwiema fazami materii. W tym miejscu występuje efekt podwójnej warstwy.

Po przyłożeniu napięcia do kondensatora na powierzchniach rozdziału elektrod generowane są dwie warstwy spolaryzowanych jonów. Jedna warstwa znajduje się wewnątrz elektrody stałej (na powierzchniach ziaren kryształu, z których jest wykonana, stykających się z elektrolitem). Druga warstwa o przeciwnej biegunowości tworzy się z rozpuszczonych i solwatowanych jonów rozmieszczonych w elektrolicie, które przesunęły się w kierunku spolaryzowanej elektrody. Te dwie warstwy spolaryzowanych jonów są oddzielone monowarstwą cząsteczek rozpuszczalnika . Mono-warstwa molekularna tworzy wewnętrzną płaszczyznę Helmholtza (IHP). Przywiera poprzez fizyczną adsorpcję na powierzchni elektrody i oddziela od siebie przeciwnie spolaryzowane jony, tworząc molekularny dielektryk .

Ilość ładunku w elektrodzie jest dopasowana do wielkości przeciwładunków w zewnętrznej płaszczyźnie Helmholtza (OHP). Jest to obszar w pobliżu IHP, w którym gromadzą się spolaryzowane jony elektrolitu. To rozdzielenie dwóch warstw spolaryzowanych jonów przez podwójną warstwę przechowuje ładunki elektryczne w taki sam sposób, jak w konwencjonalnym kondensatorze. Ładunek dwuwarstwowy tworzy statyczne pole elektryczne w warstwie molekularnej IHP cząsteczek rozpuszczalnika, które odpowiada sile przyłożonego napięcia.

„Grubość” naładowanej warstwy w elektrodzie metalicznej, tj. Średnie wydłużenie prostopadłe do powierzchni, wynosi około 0,1 nm i zależy głównie od gęstości elektronów, ponieważ atomy w elektrodach stałych są nieruchome. W elektrolicie grubość zależy od wielkości cząsteczek rozpuszczalnika oraz ruchu i stężenia jonów w rozpuszczalniku. Waha się od 0,1 do 10 nm, jak opisano przez długość Debye . Suma grubości to całkowita grubość podwójnej warstwy.

Mała grubość IHP wytwarza silne pole elektryczne E nad oddzielającymi się cząsteczkami rozpuszczalnika. Przy różnicy potencjałów, na przykład U = 2 V i grubości cząsteczki d = 0,4 nm, natężenie pola elektrycznego wynosi

${\ Displaystyle E = {\ Frac {U} {d}} = {\ Frac {2 \ {\ tekst {V}}} {0 {,} 4 \ {\ tekst {nm}}}} = 5000 \ { \ text {kV / mm}}}$

Porównanie tej liczby z wartościami z innych typów kondensatorów wymaga oszacowania dla kondensatorów elektrolitycznych , kondensatorów z najcieńszym dielektrykiem spośród konwencjonalnych kondensatorów. Odporność na napięcie tlenku glinu , warstwy dielektrycznej aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych, wynosi około 1,4 nm / V. W przypadku kondensatora 6,3 V warstwa wynosi zatem 8,8 nm. Pole elektryczne wynosi 6,3 V / 8,8 nm = 716 kV / mm, około 7 razy mniej niż w przypadku podwójnej warstwy. Natężenie pola około 5000 kV / mm jest nieosiągalne w konwencjonalnych kondensatorach. Żaden konwencjonalny materiał dielektryczny nie mógłby zapobiec przebiciu nośnika ładunku. W kondensatorze dwuwarstwowym stabilność chemiczna wiązań molekularnych rozpuszczalnika zapobiega przebiciu.

Siły, które powodują adhezję cząsteczek rozpuszczalnika w IHP, są raczej siłami fizycznymi niż wiązaniami chemicznymi. W zaadsorbowanych cząsteczkach istnieją wiązania chemiczne, ale są one spolaryzowane.

Wielkość ładunku elektrycznego, który może gromadzić się w warstwach, odpowiada stężeniu zaadsorbowanych jonów i powierzchni elektrod. Aż do napięcia rozkładu elektrolitu układ ten zachowuje się jak kondensator, w którym zmagazynowany ładunek elektryczny jest liniowo zależny od napięcia .

Budowa i funkcja idealnego kondensatora dwuwarstwowego. Przyłożenie napięcia do kondensatora na obu elektrodach utworzy podwójną warstwę Helmholtza, oddzielając przylegające jony w elektrolicie w lustrzanym rozkładzie ładunku o przeciwnej polaryzacji

Podwójna warstwa jest podobna do warstwy dielektrycznej w konwencjonalnym kondensatorze, ale ma grubość pojedynczej cząsteczki. Wykorzystując wczesny model Helmholtza do obliczenia pojemności, model przewiduje stałą różnicową pojemność C _d niezależną od gęstości ładunku, nawet w zależności od stałej dielektrycznej ε i separacji warstwy ładunku δ.

${\ Displaystyle \ C_ {d} = {\ Frac {\ epsilon} {4 \ pi \ delta}}}$

Jeżeli rozpuszczalnikiem elektrolitu jest woda, to pod wpływem dużego natężenia pola uzyskuje się przenikalność elektryczną ε równą 6 (zamiast 80 bez przyłożonego pola elektrycznego), a separacja warstw δ ok. 0,3 nm, model Helmholtza przewiduje różnicową wartość pojemności około 18 µF / cm ² . Ta wartość może być użyta do obliczenia wartości pojemności przy użyciu standardowego wzoru dla konwencjonalnych kondensatorów płytowych, jeśli znana jest tylko powierzchnia elektrod. Tę pojemność można obliczyć za pomocą:

${\ displaystyle C = {\ frac {\ varepsilon A} {d}}}$ .

Pojemność C jest największa w elementach wykonanych z materiałów o wysokiej przenikalności ε, dużych powierzchniach płyt elektrody A i niewielkiej odległości d między płytami. Ponieważ elektrody z węglem aktywnym mają bardzo dużą powierzchnię i wyjątkowo cienką odległość dwuwarstwową, która jest rzędu kilku ångströmów (0,3-0,8 nm), jest zrozumiałe, dlaczego superkondensatory mają najwyższe wartości pojemności spośród kondensatorów (w zakres od 10 do 40 µF / cm ² ).

W produkowanych w rzeczywistości superkondensatorach o dużej pojemności dwuwarstwowej wartość pojemności zależy najpierw od powierzchni elektrody i odległości DL. Parametry, takie jak materiał i struktura elektrody, mieszanina elektrolitów i ilość pseudopojemności również mają wpływ na wartość pojemności.

Ponieważ kondensator elektrochemiczny składa się z dwóch elektrod, ładunek elektryczny w warstwie Helmholtza na jednej elektrodzie jest lustrzany (z przeciwną polaryzacją) w drugiej warstwie Helmholtza na drugiej elektrodzie. Dlatego całkowita wartość pojemności kondensatora dwuwarstwowego jest wypadkową dwóch kondensatorów połączonych szeregowo. Jeśli obie elektrody mają w przybliżeniu taką samą wartość pojemności, jak w superkondensatorach symetrycznych, całkowita wartość jest mniej więcej o połowę mniejsza niż wartość jednej elektrody.

Literatura

• Podwójna warstwa (nauka o powierzchni)
• Béguin, Francois; Frąckowiak, Elżbieta (18 listopada 2009). „8 elektrycznych kondensatorów dwuwarstwowych i pseudokondensatorów” . Węgle do elektrochemicznych systemów magazynowania i konwersji energii . Taylor i Francis. pp. 329–375. doi : 10.1201 / 9781420055405-c8 . ISBN   978-1-4200-5307-4 .
• Müller, Klaus (1963). Struktura obciążonych interfejsów . Postępowanie Towarzystwa Królewskiego . 274 . Graduate School of Arts and Sciences, University of Pennsylvania. pp. 55–79. doi : 10.1098 / rspa.1963.0114 .
• BE Conway (1999), Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications (w języku niemieckim), Berlin: Springer
• Leitner, KW; Winter, M .; Besenhard, JO (01.12.2003). „Kompozytowe elektrody superkondensatorowe”. Journal of Solid State Electrochemistry . 8 (1): 15–16. doi : 10.1007 / s10008-003-0412-x . ISSN   1433-0768 .
• Yu., M .; Volfkovich, TM (wrzesień 2002). „Kondensatory elektrochemiczne”. Russian Journal of Electrochemistry . 38 (9): 935–959. doi : 10.1023 / A: 1020220425954 . ISSN   1608-3342 .
• Technologie elektrochemiczne magazynowania i konwersji energii, zakres 1 (w języku niemieckim), Weinheim

Bibliografia