द्विपरत धारिता

डबल-लेयर कैपेसिटेंस डबल लेयर (इंटरफेसियल) की महत्वपूर्ण विशेषता है जो प्रकट होता है, उदाहरण के लिए, एक प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड और एक आसन्न तरल इलेक्ट्रोलाइट के बीच इंटरफेस में। इस सीमा पर आवेश की दो परतें विपरीत ध्रुवीयता के रूप में होती हैं, एक इलेक्ट्रोड की सतह पर और एक इलेक्ट्रोलाइट में। इन दो परतों, इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रॉनों और इलेक्ट्रोलाइट में आयनों को आम तौर पर विलायक अणुओं की एक परत से अलग किया जाता है जो इलेक्ट्रोड की सतह पर चिपकने वाला होता है और एक पारंपरिक संधारित्र में ढांकता हुआ कार्य करता है। डबल-लेयर कैपेसिटर में संग्रहीत विद्युत आवेश की मात्रा लागू वोल्टेज पर निर्भर करती है। समाई की इकाई फैराड है।

डबल-लेयर कैपेसिटेंस इलेक्ट्रोस्टैटिक डबल-लेयर प्रकार के supercapacitor के पीछे का भौतिक सिद्धांत है।

इतिहास

 * डबल लेयर और स्यूडोकैपेसिटेंस मॉडल का विकास देखें डबल लेयर (इंटरफेसियल)
 * इलेक्ट्रोकेमिकल घटकों का विकास सुपरकैपेसिटर देखें

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

प्रत्येक संधारित्र में दो इलेक्ट्रोड होते हैं, जो यांत्रिक रूप से एक विभाजक द्वारा अलग किए जाते हैं। ये इलेक्ट्रोलाइट 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 इंटरफेस पर है कि डबल लेयर इफेक्ट होता है।

जब कैपेसिटर पर वोल्टेज लगाया जाता है, तो इलेक्ट्रोड इंटरफेस पर ध्रुवीकृत आयनों की दो परतें उत्पन्न होती हैं। एक परत ठोस इलेक्ट्रोड के भीतर होती है (क्रिस्टल अनाज की सतहों पर जिससे इसे बनाया जाता है जो इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में होते हैं)। दूसरी परत, विपरीत ध्रुवता के साथ, इलेक्ट्रोलाइट में वितरित वियोजन (रसायन विज्ञान) और समाधान आयनों से बनती है जो ध्रुवीकृत इलेक्ट्रोड 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 इलेक्ट्रोड 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।

इलेक्ट्रोड 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 इलेक्ट्रोलाइट आयन एकत्र होते हैं। दोहरी परत 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 एक 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। यह 0.1 से 10 एनएम तक होता है जैसा कि डेबी लंबाई द्वारा वर्णित है। मोटाई का योग दोहरी परत की कुल मोटाई है।

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


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

अन्य कैपेसिटर प्रकारों के मूल्यों के साथ इस आंकड़े की तुलना करने के लिए इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर के अनुमान की आवश्यकता होती है, पारंपरिक कैपेसिटर के बीच सबसे पतले ढांकता हुआ कैपेसिटर। एल्यूमीनियम ऑक्साइड का वोल्टेज प्रमाण, एल्यूमीनियम इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर की ढांकता हुआ परत, लगभग 1.4 एनएम/वी है। इसलिए 6.3 V कैपेसिटर 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। पारंपरिक कैपेसिटर में लगभग 5000 केवी/मिमी की क्षेत्र शक्ति अवास्तविक है। कोई पारंपरिक ढांकता हुआ पदार्थ आवेश वाहक सफलता को नहीं रोक सकता। एक डबल-लेयर कैपेसिटर में विलायक के आणविक बंधों की रासायनिक स्थिरता सफलता 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 मौजूद होते हैं, लेकिन वे ध्रुवीकृत होते हैं।

विद्युत आवेश का परिमाण जो परतों में जमा हो सकता है, adsorbed आयनों और इलेक्ट्रोड सतह की सांद्रता से मेल खाता है। इलेक्ट्रोलाइट के बिजली का टूटना तक, यह व्यवस्था एक कैपेसिटर की तरह व्यवहार करती है जिसमें संग्रहीत विद्युत चार्ज 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। कैपेसिटेंस की गणना करने के लिए शुरुआती हेल्महोल्ट्ज मॉडल का उपयोग करते हुए मॉडल एक निरंतर अंतर कैपेसिटेंस सी की भविष्यवाणी करता हैd आवेश घनत्व से स्वतंत्र, यहां तक ​​कि परावैद्युतांक ε और आवेश परत 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, हेल्महोल्ट्ज़ मॉडल लगभग 18 μF/cm के विभेदक समाई मान की भविष्यवाणी करता है 2। इस मान का उपयोग पारंपरिक प्लेट कैपेसिटर के लिए मानक सूत्र का उपयोग करके कैपेसिटेंस मानों की गणना करने के लिए किया जा सकता है यदि केवल इलेक्ट्रोड की सतह ज्ञात हो। इस समाई के साथ गणना की जा सकती है:


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

कैपेसिटेंस 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 nm) के क्रम में होती है, यह समझ में आता है कि सुपरकैपेसिटर के कैपेसिटर के बीच उच्चतम कैपेसिटेंस मान क्यों होते हैं (में) 10 से 40 μF/cm की रेंज2). डबल-लेयर कैपेसिटेंस की उच्च मात्रा वाले वास्तविक उत्पादित सुपरकैपेसिटर में कैपेसिटेंस मान पहले इलेक्ट्रोड सतह और डीएल दूरी पर निर्भर करता है। इलेक्ट्रोड सामग्री और संरचना, इलेक्ट्रोलाइट मिश्रण, और स्यूडोकैपेसिटेंस की मात्रा जैसे पैरामीटर भी समाई मूल्य में योगदान करते हैं।

क्योंकि एक इलेक्ट्रोकेमिकल कैपेसिटर 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 कैपेसिटर का कुल कैपेसिटेंस मूल्य श्रृंखला में जुड़े दो कैपेसिटर का परिणाम है। यदि दोनों इलेक्ट्रोडों का लगभग समान समाई मूल्य है, जैसा कि सममित सुपरकैपेसिटर में होता है, तो कुल मूल्य लगभग एक इलेक्ट्रोड का आधा होता है।

साहित्य

 * डबल लेयर (सतही विज्ञान)