Двухслойная емкость - Double-layer capacitance

Двухслойная емкость это важная характеристика двойной электрический слой[1][2] который появляется, например, на границе раздела между проводящими электрод и прилегающая жидкость электролит. На этой границе образуются два слоя заряда с противоположной полярностью, один на поверхности электрода, а другой в электролите. Эти два слоя, электроны на электроде и ионы в электролите, обычно разделены одним слоем молекул растворителя, который придерживаться к поверхности электрода и действовать как диэлектрик в обычном конденсатор. Количество электрический заряд хранится в двухслойном конденсаторе, зависит от применяемого Напряжение. Единицей измерения емкости является фарад.

Емкость двойного слоя - это физический принцип, лежащий в основе электростатического типа двойного слоя. Суперконденсаторы.

История

Емкость

Смотрите также: Суперконденсатор
Упрощенный вид двойного слоя отрицательных ионов в электроде и сольватированных положительных ионов в жидком электролите, разделенных слоем поляризованных молекул растворителя.

Гельмгольца заложил теоретические основы понимания явления двойного слоя. Формирование двойных слоев используется во всех электрохимический конденсатор для хранения электрической энергии.

Каждый конденсатор имеет два электрода, механически разделенных разделителем. Они электрически связаны через электролит, смесь положительных и отрицательных ионов, растворенных в растворитель например, вода. Там, где жидкий электролит контактирует с проводящей металлической поверхностью электрода, образуется граница раздела, которая представляет собой общую границу между двумя фазами вещества. Именно на этом интерфейсе возникает эффект двойного слоя.[1][2]

Когда на конденсатор подается напряжение, на границе раздела электродов образуются два слоя поляризованных ионов. Один слой находится внутри твердого электрода (на поверхностях кристаллических зерен, из которых он сделан, контактирующих с электролитом). Другой слой с противоположной полярностью образуется из растворенный и растворенный распределенные в электролите ионы, которые переместились к поляризованному электроду. Эти два слоя поляризованных ионов разделены монослоем растворителя. молекулы. Молекулярный монослой образует внутреннюю плоскость Гельмгольца (ВПГ). Он придерживается физических адсорбция на поверхности электрода и отделяет противоположно поляризованные ионы друг от друга, образуя молекулярный диэлектрик.

Количество заряда в электроде соответствует величине противодействующих зарядов во внешней плоскости Гельмгольца (OHP). Это область, близкая к IHP, в которой собираются поляризованные ионы электролита. Это разделение двух слоев поляризованных ионов через двойной слой сохраняет электрические заряды так же, как в обычном конденсаторе. Двухслойный заряд образует статический электрический поле в молекулярном слое ИГП молекул растворителя, что соответствует силе приложенного напряжения.

«Толщина» заряженного слоя в металлическом электроде, то есть средняя протяженность перпендикулярно поверхности, составляет около 0,1 нм и в основном зависит от электронной плотности, поскольку атомы в твердых электродах неподвижны. В электролите толщина зависит от размера молекул растворителя и движения и концентрации ионов в растворителе. Он находится в диапазоне от 0,1 до 10 нм, как описано Длина Дебая. Сумма толщин - это общая толщина двойного слоя.

Небольшая толщина ИГП создает сильное электрическое поле E над разделяющими молекулами растворителя. При разности потенциалов, например, U = 2 В и толщине молекулы d = 0,4 нм, напряженность электрического поля равна

Чтобы сравнить этот показатель со значениями для конденсаторов других типов, требуется оценка электролитические конденсаторы, конденсаторы с самым тонким диэлектриком среди обычных конденсаторов. Доказательство напряжения оксид алюминия диэлектрический слой алюминиевых электролитических конденсаторов составляет примерно 1,4 нм / В. Следовательно, для конденсатора на 6,3 В слой составляет 8,8 нм. Электрическое поле составляет 6,3 В / 8,8 нм = 716 кВ / мм, что примерно в 7 раз ниже, чем в двухслойном. В напряженность поля порядка 5000 кВ / мм невозможно в обычных конденсаторах. Никакой традиционный диэлектрический материал не может предотвратить прорыв носителей заряда. В двухслойном конденсаторе химическая стабильность молекулярных связей растворителя предотвращает прорыв.[3]

Силы, которые вызывают адгезию молекул растворителя в IHP, являются физическими силами, а не химическими связями. Химические связи существуют внутри адсорбированных молекул, но они поляризованы.

Величина электрического заряда, который может накапливаться в слоях, соответствует концентрации адсорбированных ионов и поверхности электродов. До электролита напряжение разложения, это устройство ведет себя как конденсатор, в котором накопленный электрический заряд линейно зависит от Напряжение.

Структура и функции идеального двухслойного конденсатора. При приложении напряжения к конденсатору на обоих электродах образуется двойной слой Гельмгольца, разделяющий прилипшие ионы в электролите в зеркальном распределении заряда противоположной полярности.

Двойной слой похож на диэлектрический слой в обычном конденсаторе, но имеет толщину в одну молекулу. Используя раннюю модель Гельмгольца для расчета емкости, модель предсказывает постоянную дифференциальная емкость Cd независимо от плотности заряда, даже в зависимости от диэлектрической проницаемости ε и расстояния между зарядовыми слоями δ.

Если растворителем электролита является вода, то влияние высокой напряженности поля создает диэлектрическая проницаемость ε = 6 (вместо 80 без приложенного электрического поля), а расстояние между слоями δ ок. 0,3 нм, модель Гельмгольца предсказывает значение дифференциальной емкости около 18 мкФ / см.2.[4] Это значение можно использовать для расчета значений емкости с использованием стандартной формулы для обычных пластинчатых конденсаторов, если известна только поверхность электродов. Эту емкость можно рассчитать с помощью:

.

Емкость C является наибольшей в компонентах, изготовленных из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью ε, большой площадью поверхности электродной пластины A и небольшим расстоянием d между пластинами. Поскольку электроды из активированного угля имеют очень большую площадь поверхности и чрезвычайно тонкое расстояние между двумя слоями, которое составляет порядка нескольких Ангстремс (0,3-0,8 нм), понятно, почему суперконденсаторы имеют самые высокие значения емкости среди конденсаторов (в диапазоне от 10 до 40 мкФ / см2).[5][6]

В реально производимых суперконденсаторах с большой емкостью двойного слоя величина емкости зависит, прежде всего, от поверхности электродов и расстояния между ними. Такие параметры, как материал и структура электрода, смесь электролитов и количество псевдоемкость также влияют на значение емкости.[1]

Поскольку электрохимический конденсатор состоит из двух электродов, электрический заряд в слое Гельмгольца на одном электроде отражается (с противоположной полярностью) во втором слое Гельмгольца на втором электроде. Таким образом, общая емкость двухслойного конденсатора является результатом подключения двух конденсаторов последовательно. Если оба электрода имеют примерно одинаковое значение емкости, как в симметричных суперконденсаторах, общее значение примерно вдвое меньше, чем у одного электрода.

Литература

  • Двойной слой (наука о поверхности)
  • Беген, Франсуа; Фраковяк, Эльжбета (18 ноября 2009 г.). «8 электрических двухслойных конденсаторов и псевдоконденсаторов». Уголь для электрохимических систем хранения и преобразования энергии. Тейлор и Фрэнсис. С. 329–375. Дои:10.1201 / 9781420055405-c8. ISBN  978-1-4200-5307-4.
  • Мюллер, Клаус (1963). О структуре заряженных интерфейсов. Труды Королевского общества. 274. Высшая школа искусств и наук Пенсильванского университета. С. 55–79. Дои:10.1098 / rspa.1963.0114.
  • Б. Э. Конвей (1999), Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические применения (на немецком языке), Берлин: Springer
  • Leitner, K. W .; Зима, М .; Безенхард, Дж. О. (01.12.2003). «Композитные электроды суперконденсатора». Журнал электрохимии твердого тела. 8 (1): 15–16. Дои:10.1007 / s10008-003-0412-х. ISSN  1433-0768.
  • Ю., М .; Вольфкович, Т. М. (сентябрь 2002 г.). «Электрохимические конденсаторы». Российский журнал электрохимии. 38 (9): 935–959. Дои:10.1023 / А: 1020220425954. ISSN  1608-3342.
  • Электрохимические технологии хранения и преобразования энергии, диапазон 1 (на немецком языке), Weinheim

Рекомендации

  1. ^ а б c З. Стоек, Двойной электрический слой и его структура.
  2. ^ а б «Двойной электрический слой». 2011. Архивировано с оригинал на 2011-05-31. Получено 2014-01-20.
  3. ^ Даниэль Грэзер, Кристоф Шмид: Supercap, Grundlagen - Eigenschaften - Anwendungen. Berner Fachhochschule, Semesterarbeit in Technologie und Deutsch (PDF ).
  4. ^ С. Шринивасан, Топливные элементы, от основ до приложений, Электронные книги Springer, 2006 г., ISBN  978-0-387-35402-6,[1] Скачать ГЛАВУ 2, ИНТЕРФЕЙСЫ ЭЛЕКТРОД / ЭЛЕКТРОЛИТ: СТРУКТУРА И КИНЕТИКА ПЕРЕДАЧИ ЗАРЯДА (pdf, 769 kB) [2]
  5. ^ Марин С. Халпер, Джеймс К. Элленбоген (март 2006 г.). Суперконденсаторы: краткий обзор (PDF) (Технический отчет). Группа компаний MITER Nanosystems. Получено 2014-01-20. Cite имеет пустой неизвестный параметр: |1= (помощь)
  6. ^ Адам Маркус Намисник. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ (PDF) (Технический отчет). Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-12-22. Получено 2014-01-20.