Двухслойная емкость

Емкость двойного слоя является важной характеристикой двойного электрического слоя. ^[1]^[2] который возникает на границе раздела поверхности и жидкости (например, между проводящим электродом и прилегающим к нему жидким электролитом ). На этой границе образуются два слоя электрического заряда противоположной полярности: один на поверхности электрода, другой в электролите. Эти два слоя — электроны на электроде и ионы в электролите — обычно разделены одним слоем молекул растворителя , которые прилипают к поверхности электрода и действуют как диэлектрик в обычном конденсаторе . Количество заряда, хранящегося в двухслойном конденсаторе, зависит от приложенного напряжения .

двухслойного типа Емкость двойного слоя — это физический принцип, лежащий в основе электростатических суперконденсаторов .

История

Разработка модели двойного слоя и псевдоемкости см. Двойной слой (межфазный).
Разработка электрохимических компонентов см. Суперконденсаторы.

Емкость

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

Гельмгольц заложил теоретические основы понимания явления двойного слоя. Образование двойных слоев используется в каждом электрохимическом конденсаторе для хранения электрической энергии.

Каждый конденсатор имеет два электрода, механически разделенных сепаратором. Они электрически соединены через электролит — смесь положительных и отрицательных ионов, растворенных в растворителе, например воде. 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]

При подаче напряжения на конденсатор на границах электродов генерируются два слоя поляризованных ионов. Один слой находится внутри твердого электрода (на поверхностях кристаллических зерен, из которых он изготовлен, контактирующих с электролитом). Другой слой противоположной полярности образуется из растворенных и сольватированных ионов, распределенных в электролите и переместившихся к поляризованному электроду. Эти два слоя поляризованных ионов разделены монослоем молекул растворителя . Молекулярный монослой образует внутреннюю плоскость Гельмгольца (ВГП). Он прилипает за счет физической адсорбции на поверхности электрода и отделяет противоположно поляризованные ионы друг от друга, образуя молекулярный диэлектрик .

Количество заряда в электроде соответствует величине встречных зарядов во внешней плоскости Гельмгольца (OHP). Это область вблизи ИГП, в которой собираются поляризованные ионы электролита. Такое разделение двух слоев поляризованных ионов посредством двойного слоя сохраняет электрические заряды так же, как в обычном конденсаторе. Заряд двойного слоя образует в молекулярном слое ИГП молекул растворителя статическое электрическое поле , соответствующее силе приложенного напряжения.

«Толщина» заряженного слоя в металлическом электроде, т. е. средняя протяженность перпендикулярно поверхности, составляет около 0,1 нм и зависит главным образом от электронной плотности, поскольку атомы в твердых электродах неподвижны. В электролите толщина зависит от размера молекул растворителя, а также от движения и концентрации ионов в растворителе. Он находится в диапазоне от 0,1 до 10 нм, что описывается дебаевской длиной . Сумма толщин представляет собой общую толщину двойного слоя.

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

E={\frac {U}{d}}={\frac {2\ {\text{V}}}{0.4\ {\text{nm}}}}=5000\ {\text{kV/mm}}

Чтобы сравнить этот показатель со значениями других типов конденсаторов, необходимо оценить электролитические конденсаторы — конденсаторы с самым тонким диэлектриком среди обычных конденсаторов. Устойчивость к напряжению оксида алюминия , диэлектрического слоя алюминиевых электролитических конденсаторов, составляет примерно 1,4 нм/В. Следовательно, для конденсатора на 6,3 В толщина слоя составляет 8,8 нм. Электрическое поле составляет 6,3 В/8,8 нм = 716 кВ/мм, что примерно в 7 раз ниже, чем в двойном слое. Напряженность поля около 5000 кВ/мм недостижима в обычных конденсаторах. Никакой обычный диэлектрический материал не может предотвратить прорыв носителей заряда. В двухслойном конденсаторе химическая стабильность молекулярных связей растворителя предотвращает прорыв. ^[3]

Силы, вызывающие адгезию молекул растворителя в ИГП, 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. электролита Вплоть до напряжения разложения эта конструкция ведет себя как конденсатор, в котором накопленный электрический заряд линейно зависит от напряжения .

Строение и функции идеального двухслойного конденсатора. При подаче напряжения на конденсатор на обоих электродах образуется двойной слой Гельмгольца, разделяющий прилипшие ионы в электролите в зеркальном распределении заряда противоположной полярности.

Двойной слой подобен диэлектрическому слою в обычном конденсаторе, но толщиной в одну молекулу. Используя раннюю модель Гельмгольца для расчета емкости, модель предсказывает постоянную дифференциальную емкость $C d,$ независимую от плотности заряда, даже в зависимости от диэлектрической проницаемости $ε$ и разделения зарядовых слоев $δ$ .

\ C_{d}={\frac {\epsilon }{4\pi \delta }}

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

C={\frac {\varepsilon A}{d}}

.

Емкость $C$ наибольшая у деталей, изготовленных из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью $ε$ , большой площадью поверхности электродных пластин $A$ и малым расстоянием d между пластинами. Поскольку электроды из активированного угля имеют очень большую площадь поверхности и чрезвычайно тонкое расстояние между двойными слоями, порядка нескольких ангстремов (0,3-0,8 нм), понятно, почему суперконденсаторы имеют самые высокие значения емкости среди конденсаторов (в диапазон от 10 до 40 мкФ/см ²). ^[5]^[6]

В реальных суперконденсаторах с большой емкостью двойного слоя значение емкости зависит в первую очередь от поверхности электрода и расстояния DL. Такие параметры, как материал и структура электрода, смесь электролитов и количество псевдоемкости , 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. Следовательно, общая емкость двухслойного конденсатора является результатом двух последовательно соединенных конденсаторов. Если оба электрода имеют примерно одинаковое значение емкости, как в симметричных суперконденсаторах, общее значение составляет примерно половину емкости одного электрода.

Литература

Двойной слой (наука о поверхности)
Беген, Франсуа; Фраковяк, Эльжбета (18 ноября 2009 г.). «8 электрических двухслойных конденсаторов и псевдоконденсаторов» . Углероды для электрохимических систем хранения и преобразования энергии . Тейлор и Фрэнсис. стр. 329–375. дои : 10.1201/9781420055405-c8 . ISBN 978-1-4200-5307-4 .
Мюллер, Клаус (1963). О структуре заряженных интерфейсов . Том. 274. Высшая школа искусств и наук Пенсильванского университета. стр. 55–79. Бибкод : 1963РСПСА.274...55Б . дои : 10.1098/rspa.1963.0114 . S2CID 94958336 . {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )
Б. Е. Конвей (1999), Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические применения (на немецком языке), Берлин: Springer
Лейтнер, К.В.; Зима, М.; Безенхард, Дж.О. (1 декабря 2003 г.). «Композитные электроды суперконденсатора». Журнал электрохимии твердого тела . 8 (1): 15–16. дои : 10.1007/s10008-003-0412-x . ISSN 1433-0768 . S2CID 95416761 .
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, группа 1 (на немецком языке), Вайнхайм

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с З. Стойек, Двойной электрический слой и его структура.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Двойной электрический слой» . 2011. Архивировано из оригинала 31 мая 2011 г. Проверено 20 января 2014 г.
^ Даниэль Грэзер, Кристоф Шмид: Supercap, основы - свойства - приложения. Бернский университет прикладных наук, семестровая работа по технологиям и немецкому языку ( PDF ).
^ С. Сринивасан, Топливные элементы, От основ к приложениям, электронные книги Springer, 2006, ISBN 978-0-387-35402-6 , [1] Скачать ГЛАВУ 2, ИНТЕРФЕЙСЫ ЭЛЕКТРОД/ЭЛЕКТРОЛИТ: СТРУКТУРА И КИНЕТИКА ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА (pdf, 769 КБ) [2]
^ Марин С. Халпер, Джеймс К. Элленбоген (март 2006 г.). Суперконденсаторы: краткий обзор (PDF) (Технический отчет). Группа компаний МИТЕР Наносистемы . Проверено 20 января 2014 г.
^ Адам Маркус Намисник. ОБЗОР ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ СУПЕРКОПАСИТОРОВ (PDF) (Технический отчет). Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2014 г. Проверено 20 января 2014 г.

[Stojek-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с З. Стойек, Двойной электрический слой и его структура.

[EDL-2] Перейти обратно: ^а ^б «Двойной электрический слой» . 2011. Архивировано из оригинала 31 мая 2011 г. Проверено 20 января 2014 г.

[3] Даниэль Грэзер, Кристоф Шмид: Supercap, основы - свойства - приложения. Бернский университет прикладных наук, семестровая работа по технологиям и немецкому языку ( PDF ).

[Srinivasan-4] С. Сринивасан, Топливные элементы, От основ к приложениям, электронные книги Springer, 2006, ISBN 978-0-387-35402-6 , [1] Скачать ГЛАВУ 2, ИНТЕРФЕЙСЫ ЭЛЕКТРОД/ЭЛЕКТРОЛИТ: СТРУКТУРА И КИНЕТИКА ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА (pdf, 769 КБ) [2]

[Halper-5] Марин С. Халпер, Джеймс К. Элленбоген (март 2006 г.). Суперконденсаторы: краткий обзор (PDF) (Технический отчет). Группа компаний МИТЕР Наносистемы . Проверено 20 января 2014 г.

[Namisnyk-6] Адам Маркус Намисник. ОБЗОР ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ СУПЕРКОПАСИТОРОВ (PDF) (Технический отчет). Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2014 г. Проверено 20 января 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]