द्विपरत धारिता

द्विपरत धारिता इलेक्ट्रिकल डबल लेयर की महत्वपूर्ण विशेषता है जो, उदाहरण के लिए, एक प्रवाहकीय  विद्युतद्वार और एक आसन्न तरल  विद्युत् अपघट्यट के बीच इंटरफेस में दिखाई देती है। इस सीमा पर आवेश की दो परतें विपरीत ध्रुवीयता के रूप में होती हैं, विद्युतद्वार की सतह पर और एक विद्युत् अपघट्यट में । इन दो परतों,  विद्युतद्वार पर इलेक्ट्रॉनों और  विद्युत् अपघट्यट में आयनों को सामान्यतः विलायक अणुओं की एक परत से अलग किया जाता है जो विद्युतद्वार की सतह का पालन करती हैं और एक पारंपरिक संधारित्र में ढांकता हुआ कार्य करता है। डबल-लेयर संधारित्र में संग्रहीत विद्युत आवेश की मात्रा लागू वोल्टेज पर निर्भर करती है। धारिता की इकाई फैराड होती है।

द्विपरत धारिता स्थिर वैद्युत् डबल-लेयर प्रकार के सुपरसंधारित्र के पीछे का भौतिक सिद्धांत है।

इतिहास

 * डबल लेयर और स्यूडो धारिता मॉडल का विकास देखें डबल लेयर (इंटरफेसियल)
 * विद्युत रासायनिक घटकों का विकास सुपरसंधारित्र देखें

धारिता
हरमन वॉन हेल्महोल्ट्ज़ ने दोहरी परत की घटना को समझने के लिए सैद्धांतिक नींव रखी। विद्युत ऊर्जा को संग्रहित करने के लिए प्रत्येक विद्युत रासायनिक संधारित्र में दोहरी परतों का निर्माण किया जाता है।

प्रत्येक संधारित्र में दो इलेक्ट्रोड होते हैं, जो यांत्रिक रूप से विभाजक द्वारा अलग किए जाते हैं। जो यांत्रिक रूप से एक विभाजक द्वारा अलग किए जाते हैं। ये विद्युत् अपघट्यट के माध्यम से विद्युत रूप से जुड़े होते हैं, पानी जैसे विलायक में सकारात्मक और नकारात्मक आयनों का मिश्रण होता है। जहां तरल इलेक्ट्रोलाइट इलेक्ट्रोड की प्रवाहकीय धातु की सतह से संपर्क करता है, एक इंटरफ़ेस बनता है जो पदार्थ के दो चरणों के बीच एक सामान्य सीमा का प्रतिनिधित्व करता है। यह इस इंटरफ़ेस पर है, कि दोहरी परत का प्रभाव होता है।

जब संधारित्र पर वोल्टेज लगाया जाता है, तो विद्युतद्वार इंटरफेस पर ध्रुवीकृत आयनों की दो परतें उत्पन्न होती हैं। एक परत ठोस विद्युतद्वार के भीतर होती है (क्रिस्टल अनाज की सतहों पर जिससे इसे बनाया जाता है जो विद्युत् अपघट्यट के संपर्क में होते हैं)। दूसरी परत, विपरीत ध्रुवता के साथ,  विद्युत् अपघट्यट में वितरित वियोजन (रसायन विज्ञान) और समाधान आयनों से बनती है जो ध्रुवीकृत  विद्युतद्वार की ओर चले गए हैं। ध्रुवीकृत आयनों की इन दो परतों को विलायक अणुओं के एक मोनोलेयर द्वारा अलग किया जाता है। आणविक मोनोलेयर आंतरिक हेल्महोल्ट्ज़ प्लेन (IHP) बनाता है। यह  विद्युतद्वार सतह पर भौतिक सोखना का पालन करता है और एक आणविक ढांकता हुआ बनाने के लिए विपरीत ध्रुवीकृत आयनों को एक दूसरे से अलग करता है।

विद्युतद्वार में चार्ज की मात्रा बाहरी हेल्महोल्ट्ज प्लेन (ओएचपी) में काउंटर-चार्ज के परिमाण से मेल खाती है। यह IHP के करीब का क्षेत्र है, जिसमें ध्रुवीकृत विद्युत् अपघट्यट आयन एकत्र होते हैं। युग्मित स्तर के माध्यम से ध्रुवीकृत आयनों की दो परतों का यह पृथक्करण विद्युत आवेशों को उसी तरह संग्रहीत करता है जैसे एक पारंपरिक संधारित्र में होता है। डबल-लेयर चार्ज सॉल्वेंट अणुओं की आणविक IHP परत में एक स्थिर बिजली विद्युत क्षेत्र बनाता है जो कि लागू वोल्टेज की ताकत से मेल खाता है।

धात्विक इलेक्ट्रोड में आवेशित परत की "मोटाई", यानी सतह के लंबवत औसत विस्तार, लगभग 0.1 एनएम है, और मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन घनत्व पर निर्भर करता है क्योंकि ठोस इलेक्ट्रोड में परमाणु स्थिर होते हैं। इलेक्ट्रोलाइट में, मोटाई विलायक के अणुओं के आकार और विलायक में आयनों की गति और एकाग्रता पर निर्भर करती है। डेबी लंबाई द्वारा वर्णित यह 0.1 से 10 एनएम तक है। मोटाई का योग दोहरी परत की कुल मोटाई है।

आईएचपी की छोटी मोटाई अलग-अलग विलायक अणुओं पर मजबूत विद्युत क्षेत्र E बनाती है। एक संभावित अंतर पर, उदाहरण के लिए, U= 2 V और d = 0.4 nm, की आणविक मोटाई, विद्युत क्षेत्र की ताकत है


 * $$E = \frac{U}{d} = \frac{2\ \text{V}}{0{,}4\ \text{nm}} = 5000\ \text{kV/mm}$$

अन्य संधारित्र प्रकारों के मूल्यों के साथ इस आंकड़े की तुलना करने के लिए विद्युत् अपघट्यटिक संधारित्र के अनुमान की आवश्यकता होती है, पारंपरिक संधारित्र के बीच सबसे पतले संधारित्र को ढांकता हुआ। एल्यूमीनियम ऑक्साइड का वोल्टेज प्रमाण, एल्यूमीनियम विद्युत् अपघट्यटिक संधारित्र की ढांकता हुआ लगभग 1.4 nm/V है। 6.3 V संधारित्र के लिए परत 8.8 nm है। विद्युत क्षेत्र 6.3 V/8.8 nm = 716 kV/mm, है, जो दोहरी परत की तुलना में लगभग 7 गुना कम है। कुछ 5000 केवी/मिमी की क्षेत्र शक्ति पारंपरिक संधारित्र में अवास्तविक है। कोई पारंपरिक ढांकता हुआ पदार्थ आवेश वाहक सफलता को नहीं रोक सकता। एक डबल-लेयर संधारित्र में विलायक के आणविक बंधों की रासायनिक स्थिरता पारवेधन को रोकती है।

IHP में विलायक अणुओं के आसंजन का कारण बनने वाली ताकतें रासायनिक बंधों के बजाय भौतिक बल हैं। अवशोषित अणुओं के भीतर रासायनिक बंध उपस्थित होते हैं, लेकिन वे ध्रुवीकृत होते हैं।

विद्युत आवेश का परिमाण जो परतों में जमा हो सकता है, अधिशोषित आयनों और इलेक्ट्रोड सतह की सांद्रता से मेल खाता है। इलेक्ट्रोलाइट के अपघटन वोल्टेज तक, यह व्यवस्था एक संधारित्र की तरह व्यवहार करती है जिसमें संग्रहीत विद्युत आवेश वोल्टेज पर रैखिक रूप से निर्भर होता है। दोहरी परत पारंपरिक संधारित्र में ढांकता हुआ परत की तरह है, लेकिन एक अणु की मोटाई के साथ। धारिता की गणना करने के लिए शुरुआती हेल्महोल्ट्ज़ मॉडल का उपयोग करते हुए, मॉडल चार्ज घनत्व से स्वतंत्र एक निरंतर अंतर धारिता सीडी की भविष्यवाणी करता है, यहां तक ​​​​कि ढांकता हुआ स्थिरांक ε और चार्ज लेयर पृथक्करण δ पर निर्भर करता है।


 * $$\ C_d = \frac{\epsilon}{4 \pi \delta}$$

यदि इलेक्ट्रोलाइट विलायक पानी है तो उच्च क्षेत्र की ताकत का प्रभाव 6 की पारगम्यता ε बनाता है (बिना लागू विद्युत क्षेत्र के 80 के बजाय) और परत पृथक्करण δ ca। 0.3 एनएम पर, हेल्महोल्ट्ज़ मॉडल लगभग 18 µF/cm2 के विभेदक धारिता मान की भविष्यवाणी करता है। इस मान का उपयोग पारंपरिक प्लेट  संधारित्र के लिए मानक सूत्र का उपयोग करके  धारिता मूल्यों की गणना करने के लिए किया जा सकता है यदि केवल इलेक्ट्रोड की सतह ज्ञात हो। इस  धारिता के साथ गणना की जा सकती है:


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

धारिता सी उच्च पारगम्यता ε, बड़े इलेक्ट्रोड प्लेट सतह क्षेत्रों ए और प्लेटों के बीच एक छोटी दूरी डी के साथ सामग्री से बने घटकों में सबसे बड़ा है। क्योंकि सक्रिय कार्बन इलेक्ट्रोड में बहुत अधिक सतह क्षेत्र और एक अत्यंत पतली डबल-परत दूरी होती है जो कुछ ångströms (0.3-0.8 एनएम) के क्रम में होती है, यह समझ में आता है कि सुपर संधारित्र के संधारित्र के बीच उच्चतम  धारिता मान क्यों हैं (में) 10 से 40 µF/cm2 की रेंज)।

डबल-लेयर धारिता की उच्च मात्रा वाले वास्तविक उत्पादित सुपर संधारित्र में  धारिता मान पहले इलेक्ट्रोड सतह और डीएल दूरी पर निर्भर करता है। इलेक्ट्रोड सामग्री और संरचना, इलेक्ट्रोलाइट मिश्रण, और स्यूडो धारिता की मात्रा जैसे पैरामीटर भी धारिता मूल्य में योगदान करते हैं।

क्योंकि एक विद्युत रासायनिक संधारित्र दो इलेक्ट्रोड से बना होता है, एक इलेक्ट्रोड पर हेल्महोल्ट्ज़ परत में इलेक्ट्रिक चार्ज दूसरे इलेक्ट्रोड पर दूसरी हेल्महोल्ट्ज़ परत में (विपरीत ध्रुवता के साथ) प्रतिबिम्बित होता है। इसलिए, डबल-लेयर संधारित्र का कुल धारिता मूल्य श्रृंखला में जुड़े दो संधारित्र का परिणाम है। यदि दोनों विद्युतद्वार का लगभग समान धारिता मूल्य है, जैसा कि सममित सुपर संधारित्र में होता है, तो कुल मूल्य लगभग एक इलेक्ट्रोड का आधा होता है।

साहित्य

 * डबल लेयर (सतही विज्ञान)