Войти
Емкость двойного слоя является важной характеристикой двойного электрического слоя, который появляется, например, на границе раздела между проводящим электродом и соседний жидкий 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, которые прикрепляются к поверхности электрода и действуют как диэлектрик в обычный конденсатор. Количество электрического заряда, хранящегося в двухслойном конденсаторе, зависит от приложенного напряжения. Единица измерения емкости - фарад.
Емкость двойного слоя - это физический принцип, лежащий в основе электростатического двухслойного типа суперконденсаторов.
Упрощенный вид двойного слоя отрицательных ионов в электроде и сольватированных положительных ионов в жидком электролите, разделенных слоем поляризованных молекул растворителя. Гельмгольц заложил теоретические основы для понимания явления двойного слоя. Формирование двойных слоев используется в каждом электрохимическом конденсаторе для хранения электрической энергии.
Каждый конденсатор имеет два электрода, механически разделенных разделителем. Они электрически связаны через электролит, смесь положительных и отрицательных ионов, растворенных в растворителе, таком как 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 этой границе раздела возникает эффект двойного слоя.
Когда на конденсатор подается напряжение, на границах раздела электродов генерируются 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 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 (ВПГ). Он прилипает к поверхности электрода за счет физической адсорбции и отделяет друг от друга противоположно поляризованные ионы, образуя молекулярный диэлектрик.
. Количество заряда в электроде соответствует величине противодействия. заряды 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 статическое электрическое поле в молекулярном слое ИГП молекул растворителя, которое 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, движения и концентрации ионов в растворителе. Он находится в диапазоне от 0,1 до 10 нм, как описано длиной 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 будет
Чтобы сравнить этот показатель со значениями для других типов конденсаторов, требуется оценка для электролитических конденсаторов, конденсаторов с самым тонким диэлектриком среди обычных конденсаторов. Доказательство напряжения оксида алюминия, диэлектрического слоя алюминиевых электролитических конденсаторов, составляет приблизительно 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. Напряженность поля около 5000 кВ / мм недостижима в обычных конденсаторах. Никакой традиционный диэлектрический материал не может предотвратить прорыв носителей заряда. В двухслойном конденсаторе химическая стабильность молекулярных связей растворителя предотвращает разрыв.
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. Вплоть до напряжения разложения электролита эта конструкция ведет себя как конденсатор, в котором накопленный электрический заряд линейно зависит от напряжения.
Структура и функция идеального двухслойного конденсатора. При приложении напряжения к конденсатору на обоих электродах образуется двойной слой Гельмгольца, разделяющий прилипшие ионы в электролите с зеркальным распределением заряда противоположной полярности Двойной слой похож на диэлектрический слой в обычном конденсаторе, но толщиной в одну молекулу. Используя раннюю модель Гельмгольца для расчета емкости, модель предсказывает постоянную дифференциальную емкость Cdнезависимо от плотности заряда, даже в зависимости от диэлектрической проницаемости ε и расстояния между слоями заряда δ.
Если растворителем электролита является вода, то влияние высокого Напряженность поля создает диэлектрическую проницаемость ε равную 6 (вместо 80 без приложенного электрического поля) и разделение слоев δ ca. 0,3 нм модель Гельмгольца предсказывает значение дифференциальной емкости около 18 мкФ / см. 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 следующим образом:
.Емкость C является наибольшей у компонентов, изготовленных из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. ε, большая площадь поверхности электродной пластины A и небольшое расстояние d между пластинами. Поскольку электроды из активированного угля имеют очень большую площадь поверхности и чрезвычайно тонкое расстояние между двумя слоями, которое составляет порядка нескольких ангстрёмов (0,3-0,8 нм), понятно, почему суперконденсаторы имеют самые высокие значения емкости. между конденсаторами (в диапазоне от 10 до 40 мкФ / см).
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 псевдоемкости также влияют на значение емкости.
Поскольку электрохимический конденсатор состоит из двух электродов, электрический заряд в слое Гельмгольца на одном электроде зеркально (с противоположной полярностью) во втором слое Гельмгольца на втором электроде. Таким образом, общая емкость двухслойного конденсатора является результатом того, что два конденсатора соединены последовательно. Если оба электрода имеют примерно одинаковое значение емкости, как в симметричных суперконденсаторах, общее значение примерно вдвое меньше, чем у одного электрода.
