Войти
Упрощенный вид двойного слоя со специально адсорбированными ионами, которые передали свой заряд на электрод, чтобы объяснить фарадеевский перенос заряда псевдоемкость. Псевдоемкость - это электрохимическое накопление электричества в электрохимическом конденсаторе (Псевдоконденсатор ). Этот фарадеевский перенос заряда происходит в результате очень быстрой последовательности обратимых процессов фарадеев окислительно-восстановительного потенциала, электросорбции или интеркаляции на поверхности подходящих электроды. Псевдоемкость сопровождается электроном переносом заряда между электролитом и электродом, исходящим от десольватированного и адсорбированного ион. Используется один электрон на единицу заряда. Адсорбированный ион не вступает в химическую реакцию с атомами электрода (не возникают химические связи ), поскольку имеет место только перенос заряда.
Фарадеевская псевдоемкость возникает только вместе со статической емкостью двойного слоя. Псевдоемкость и емкость двойного слоя неразрывно влияют на общую величину емкости.
Величина псевдоемкости зависит от площади поверхности, материала и структуры электродов. Псевдоемкость может вносить большую емкость, чем емкость двойного слоя для той же площади поверхности, в 100 раз.
Количество электрического заряда, хранящегося в псевдоемкости, линейно пропорционально приложенному напряжению. Единица измерения псевдоемкости: фарад.
Окислительно-восстановительные реакции в батареях с фарадеевским переносом заряда между электролитом и поверхностью электрода были охарактеризованы несколько десятилетий назад. Эти химические процессы связаны с химическими реакциями материалов электродов, обычно с сопутствующими фазовыми изменениями. Хотя эти химические процессы относительно обратимы, циклы заряда / разряда батареи часто необратимо приводят к образованию необратимых продуктов химической реакции реагентов. Соответственно, срок службы аккумуляторных батарей обычно ограничен. Кроме того, продукты реакции снижают удельную мощность. Кроме того, химические процессы протекают относительно медленно, увеличивая время зарядки / разрядки.
Схематическое изображение двойного слоя на модели электрода (BMD). 1. Внутренняя плоскость Гельмгольца (IHP), 2. Внешняя плоскость Гельмгольца (OHP), 3. Диффузный слой, 4. Сольватированные ионы электролита (катионы) 5. Специфически адсорбированные ионы (окислительно-восстановительный ион, который способствует псевдоемкости), 6. Молекулы растворителя Принципиальное различие между окислительно-восстановительными реакциями в батареях и в электрохимических конденсаторах (суперконденсаторах) заключается в том, что в последних реакции представляют собой очень быструю последовательность обратимых процессов с переносом электрона без каких-либо фазовых изменений молекул электрода. Они не связаны с образованием или разрывом химических связей. десольватированные атомы или ионы, вносящие вклад в псевдоемкость, просто цепляются за атомную структуру электрода, и заряды распределяются по поверхностям посредством физических процессов адсорбции. По сравнению с батареями, фарадеевские процессы в суперконденсаторах намного быстрее и стабильнее во времени, потому что они оставляют только следы продуктов реакции. Несмотря на меньшее количество этих продуктов, они вызывают снижение емкости. Такое поведение является сущностью псевдоемкости.
Псевдемкостные процессы приводят к зависимому от заряда линейному емкостному поведению, а также к достижению нефарадеевской емкости двойного слоя в отличие от батарей, которые имеют почти независимое от заряда поведение. Величина псевдоемкости зависит от площади поверхности, материала и структуры электродов. Псевдоемкость может превышать значение емкости двойного слоя для той же площади поверхности в 100 раз.
Внедрение атомов металла между плоскими слоями графита 
Удержание сольватированных ионов в порах, таких как присутствует в углероде на основе карбида (CDC). Когда размер пор приближается к размеру сольватной оболочки, молекулы растворителя удаляются, что приводит к большей плотности упаковки ионов и увеличению способности накапливать заряд. Подача напряжения на клеммы конденсатора перемещает поляризованные ионы или заряженные атомы в электролите к противоположно поляризованному электроду. Между поверхностями электродов и прилегающим электролитом образуется электрический двойной слой. Один слой ионов на поверхности электрода и второй слой соседних поляризованных и сольватированных ионов в электролите перемещаются к противоположно поляризованному электроду. Два ионных слоя разделены одним слоем молекул электролита. Между двумя слоями образуется статическое электрическое поле, которое приводит к емкости двойного слоя. Вместе с двойным электрическим слоем некоторые десольватированные ионы электролита проникают через разделяющий слой растворителя и адсорбируются атомами поверхности электрода. Они специфически адсорбируются и доставляют свой заряд на электрод. Другими словами, ионы в электролите внутри двойного слоя Гельмгольца также действуют как доноры электронов и переносят электроны к атомам электрода, в результате чего возникает фарадеевский ток. Этот фарадеевский перенос заряда, возникающий в результате быстрой последовательности обратимых окислительно-восстановительных реакций, процессов электросорбции или интеркаляции между электролитом и поверхностью электрода, является называется псевдоемкостью.
В зависимости от структуры электрода или материала поверхности псевдоемкость может возникать, когда специфически адсорбированные ионы проникают в двойной слой, протекая в несколько одно- электронных стадий. Электроны, участвующие в фарадеевских процессах, переносятся в или из состояний электрода валентных электронов (орбитали ) и текут через внешнюю цепь к противоположному электроду, где находится второй двойной слой с образуется равное количество разноименно заряженных ионов. Электроны остаются в сильно ионизованных ионах переходных металлов на поверхности электрода и не передаются адсорбированным ионам. Этот вид псевдоемкости имеет линейную функцию в узких пределах и определяется зависимой от потенциала степенью покрытия поверхности адсорбированными анионами. Емкость псевдоемкости ограничена конечным количеством реагента или доступной поверхностью.
Системы, вызывающие псевдоемкость:
Все три типа электрохимических процессов имеют появились в суперконденсаторах.
При разряде псевдоемкости перенос заряда меняется на противоположный, и ионы или атомы покидают двойной слой и распространяются по электролиту.
Электроды ' способность создавать псевдоемкость сильно зависит от химического сродства материалов электродов к ионам, адсорбированным на поверхности электрода, а также от структуры и размера пор электрода. Материалы, демонстрирующие окислительно-восстановительное поведение для использования в качестве электродов псевдоконденсатора, являются оксидами переходных металлов вставлен путем легирования в проводящий электродный материал, такой как активированный уголь, а также проводящие полимеры, такие как полианилин или производные политиофена, покрывающие материал электрода.
Эти материалы обладают высокой псевдоемкостью и были тщательно изучены Конвеем. Многие оксиды переходных металлов, такие как рутений (RuO. 2), иридий (IrO. 2), железо (Fe. 3O. 4), марганец (MnO. 2) или сульфиды, такие как сульфид титана (TiS. 2), или их комбинации вызывают фарадеевские реакции переноса электрона с низким проводящим сопротивлением.
Диоксид рутения (RuO. 2) в сочетании с серной кислотой (H. 2SO. 4) электролитом обеспечивает один из лучших примеров псевдоемкости с зарядом / разрядом в окне примерно 1,2 В на электрод. Кроме того, у этих электродов с переходным металлом отличная обратимость, их срок службы превышает несколько сотен тысяч циклов. Псевдоемкость возникает в результате сопряженной обратимой окислительно-восстановительной реакции с несколькими стадиями окисления с перекрывающимся потенциалом. Электроны в основном приходят с валентных орбиталей электрода. Реакция переноса электрона протекает очень быстро и может сопровождаться большими токами.
Реакция переноса электрона происходит в соответствии с:
где 
Во время заряда и разряда протоны H. ( ) включаются или удаляются из кристаллической решетки RuO. 2, которая генерирует накопление электрической энергии без химического преобразования. Группы ОН осаждаются в виде молекулярного слоя на поверхности электрода и остаются в области слоя Гельмгольца. Поскольку измеряемое напряжение от окислительно-восстановительной реакции пропорционально заряженному состоянию, реакция ведет себя как конденсатор, а не батарея, напряжение которой в значительной степени не зависит от состояния заряда.
Другой тип материала с высокой псевдоемкостью - это электронопроводящие полимеры. Проводящий полимер, такой как полианилин, политиофен, полипиррол и полиацетилен, имеют более низкую обратимость окислительно-восстановительных процессов с участием Фарадеев перенос заряда по сравнению с оксидами переходных металлов, и они страдают от ограниченной стабильности во время циклирования. В таких электродах применяется электрохимическое легирование или дедопирование полимеров анионами и катионами. Наивысшая емкость и плотность мощности достигаются при использовании полимерной конфигурации n / p-типа с одним отрицательно заряженным (n-легированным) и одним положительно заряженным (p-легированным) электродом.
Псевдоемкость может возникать из-за структуры электрода, особенно из-за размера пор материала. Использование углерода карбидного происхождения (CDC) или углеродных нанотрубок (CNT) в качестве электродов обеспечивает сеть небольших пор, образованных за счет перепутывания нанотрубок. Эти нанопористые материалы имеют диаметр в диапазоне <2 nm that can be referred to as intercalated pores. Solvated ions in the electrolyte are unable to enter these small pores, but de-solvated ions that have reduced their ion dimensions are able to enter, resulting in larger ionic packing density and increased charge storage. The tailored sizes of pores in nano-structured carbon electrodes can maximize ion confinement, increasing specific capacitance by faradaic H. 2адсорбционной обработки. Захват этих пор десольватированными ионами из раствора электролита происходит в соответствии с (фарадеевской) интеркаляцией.
Циклическая вольтамперограмма показывает фундаментальное различие кривых тока статических конденсаторов и псевдоконденсаторов Свойства псевдоемкости могут быть выражены в циклической вольтамперограмме . В идеальном конденсаторе с двойным слоем ток меняется на противоположный сразу после изменения напряжения на противоположное, что дает прямоугольную вольтамперограмму с током, не зависящим от потенциала электрода. Для двухслойных конденсаторов с резистивными потерями форма меняется на параллелограмм . В фарадеевских электродах электрический заряд, накопленный в конденсаторе, сильно зависит от потенциала, поэтому вольтамперометрические характеристики отклоняются от параллелограмма из-за задержки при изменении направления потенциала, в конечном итоге обусловленной процессами кинетической зарядки.
Псевдоемкость - важное свойство в суперконденсаторах.
