Емкость двойного слоя

Емкость двойного слоя является важной характеристикой электрического двойного слоя ^{[1] [2]} , который появляется на границе раздела между поверхностью и жидкостью (например, между проводящим электродом и соседним жидким электролитом ). На этой границе образуются два слоя электрического заряда с противоположной полярностью, один на поверхности электрода и один 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 .

Двухслойная емкость — это физический принцип, лежащий в основе работы электростатических двухслойных суперконденсаторов .

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

Гельмгольц заложил теоретические основы для 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, таком как вода. Там, где жидкий электролит контактирует с проводящей металлической поверхностью электрода, образуется интерфейс, который 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 образуются два слоя поляризованных ионов. Один слой находится внутри твердого электрода (на поверхностях кристаллических зерен, из которых он изготовлен, которые контактируют с электролитом). Другой слой, с противоположной полярностью, образуется из растворенных и сольватированных ионов, распределенных в электролите, которые переместились к поляризованному электроду. Эти два слоя поляризованных ионов разделены монослоем молекул растворителя . Молекулярный монослой образует внутреннюю плоскость Гельмгольца (IHP). Он прилипает путем физической адсорбции к 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, 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. Заряд двойного слоя образует статическое электрическое поле в молекулярном слое IHP молекул растворителя, которое соответствует силе приложенного напряжения.

«Толщина» заряженного слоя в металлическом электроде, т. е. среднее расширение 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, а также от движения и концентрации ионов в растворителе. Она колеблется от 0,1 до 10 нм, как описано длиной Дебая . Сумма толщин составляет общую толщину двойного слоя.

Малая 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

${\displaystyle E={\frac {U}{d}}={\frac {2\ {\text{В}}}{0,4\ {\text{нм}}}}=5000\ {\text{кВ/мм}}}$

Для сравнения этого показателя со значениями других типов конденсаторов требуется оценка для электролитических конденсаторов , конденсаторов с самым тонким диэлектриком среди обычных конденсаторов. Напряжение оксида алюминия , диэлектрического слоя алюминиевых электролитических конденсаторов, составляет приблизительно 1,4 нм/В. 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 конденсаторе. Напряженность поля около 5000 кВ/мм нереализуема 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 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 напряжения разложения электролита эта конструкция ведет себя как конденсатор, в котором накопленный электрический заряд линейно зависит от напряжения .

Двойной слой подобен диэлектрическому слою в обычном конденсаторе, но с толщиной одной молекулы. Используя раннюю модель Гельмгольца для расчета емкости, модель предсказывает постоянную дифференциальную емкость C _{d ,} независимую от плотности заряда, даже зависящую от диэлектрической проницаемости ε и разделения зарядовых слоев δ .

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

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 около 0,3 нм, модель Гельмгольца предсказывает дифференциальное значение 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:

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

Емкость C является наибольшей в компонентах, изготовленных из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью ε , большими площадями поверхности электродных пластин A и малым расстоянием d между пластинами. Поскольку электроды из активированного угля имеют очень большую площадь поверхности и чрезвычайно тонкое двухслойное расстояние, которое составляет порядка нескольких ангстрем (0,3-0,8 нм), понятно, почему суперконденсаторы имеют самые высокие значения емкости среди конденсаторов (в диапазоне от 10 до 40 мкФ/см ² ). ^{[5] [6]}

В реально производимых суперконденсаторах с высокой двухслойной емкостью значение емкости зависит в первую очередь от поверхности электрода и расстояния DL. Такие параметры, как материал и структура электрода, электролитная смесь и величина псевдоемкости, также вносят вклад в значение емкости. ^[1]

Поскольку электрохимический конденсатор состоит из двух электродов, электрический заряд в слое Гельмгольца на одном электроде зеркально отражается (с противоположной полярностью) во втором слое Гельмгольца на втором электроде. Таким образом, общее значение емкости двухслойного конденсатора является результатом двух конденсаторов, соединенных последовательно. Если оба электрода имеют приблизительно одинаковое значение емкости, как в симметричных суперконденсаторах, общее значение составляет примерно половину от одного электрода.

• Двойной слой (поверхностная наука)
• Беген, Франсуа; Фраковяк, Эльжбета (18 ноября 2009 г.). "8 Электрические двухслойные конденсаторы и псевдоконденсаторы". Углерод для электрохимических систем хранения и преобразования энергии . Тейлор и Фрэнсис. стр. 329–375. doi :10.1201/9781420055405-c8. ISBN 978-1-4200-5307-4.
• Мюллер, Клаус (1963). О структуре заряженных интерфейсов. Том 274. Высшая школа искусств и наук, Пенсильванский университет. С. 55–79. Bibcode : 1963RSPSA.274...55B. doi : 10.1098/rspa.1963.0114. S2CID  94958336. {{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )
• BE Conway (1999), Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические применения (на немецком языке), Берлин: Springer
• Leitner, KW; Winter, M.; Besenhard, JO (2003-12-01). "Композитные электроды суперконденсатора". Журнал твердотельной электрохимии . 8 (1): 15–16. doi :10.1007/s10008-003-0412-x. ISSN  1433-0768. S2CID  95416761.
• Ю., М.; Вольфкович, Т.М. (сентябрь 2002). «Электрохимические конденсаторы». Журнал электрохимии . 38 (9): 935–959. doi :10.1023/A:1020220425954. ISSN  1608-3342.
• Электрохимические технологии для хранения и преобразования энергии, Band 1 (на немецком языке), Вайнхайм