स्यूडोकैपेसिटेंस

स्यूडोकैपेसिटेंस एक supercapacitor (स्यूडोकैपेसिटर) में बिजली का इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री स्टोरेज है। यह फैराडिक चार्ज ट्रांसफर उपयुक्त इलेक्ट्रोड की सतह पर प्रतिवर्ती फैराडिक करंट रिडॉक्स, कैपेसिटिव विआयनीकरण या इंटरकलेशन (रसायन विज्ञान) प्रक्रियाओं के बहुत तेजी से अनुक्रम से उत्पन्न होता है।  स्यूडोकैपेसिटेंस एक इलेक्ट्रॉन चार्ज ट्रांसफर कॉम्प्लेक्स के साथ होता है। एक समाधान से आने वाले इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड के बीच चार्ज-ट्रांसफर। डी-सॉल्वेटेड और सोखना आयन। चार्ज यूनिट प्रति एक इलेक्ट्रॉन शामिल है। सोखने वाले आयन की इलेक्ट्रोड के परमाणुओं के साथ कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं होती है (कोई रासायनिक बंधन उत्पन्न नहीं होता है ) चूंकि केवल चार्ज-ट्रांसफर होता है।

फैराडिक स्यूडोकैपेसिटेंस केवल स्थिर डबल-लेयर कैपेसिटेंस के साथ होता है। स्यूडोकैपेसिटेंस और डबल-लेयर कैपेसिटेंस दोनों कुल कैपेसिटेंस वैल्यू में अविभाज्य रूप से योगदान करते हैं।

स्यूडोकैपेसिटेंस की मात्रा सतह क्षेत्र, सामग्री और इलेक्ट्रोड की संरचना पर निर्भर करती है। स्यूडोकैपेसिटेंस समान सतह क्षेत्र के लिए डबल-लेयर कैपेसिटेंस की तुलना में 100x अधिक कैपेसिटेंस का योगदान दे सकता है।

स्यूडोकैपेसिटेंस में संग्रहीत विद्युत आवेश की मात्रा लागू वोल्टेज के रैखिक रूप से आनुपातिक होती है। स्यूडोकैपेसिटेंस की इकाई फैराड है।

इतिहास

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

फिर से चार्ज करने लायक संप्रहार
एक इलेक्ट्रोलाइट और एक इलेक्ट्रोड की सतह के बीच फैराडिक चार्ज-ट्रांसफर के साथ रिचार्जेबल बैटरी में रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं दशकों पहले देखी गई थीं। ये रासायनिक प्रक्रियाएं आमतौर पर परिचर चरण संक्रमण के साथ इलेक्ट्रोड सामग्री की रासायनिक प्रतिक्रियाओं से जुड़ी होती हैं। हालांकि ये रासायनिक प्रक्रियाएं अपेक्षाकृत प्रतिवर्ती हैं, बैटरी चार्ज / डिस्चार्ज चक्र अक्सर अपरिवर्तनीय रूप से अभिकर्मकों के अपरिवर्तित रासायनिक प्रतिक्रिया उत्पादों का उत्पादन करते हैं। तदनुसार, रिचार्जेबल बैटरी का चक्र-जीवन आमतौर पर सीमित होता है। इसके अलावा, प्रतिक्रिया उत्पाद बिजली घनत्व कम करते हैं। इसके अतिरिक्त, रासायनिक प्रक्रियाएं अपेक्षाकृत धीमी होती हैं, जो चार्ज/डिस्चार्ज समय को बढ़ाती हैं।

इलेक्ट्रो-केमिकल कैपेसिटर
बैटरी और इलेक्ट्रोकेमिकल कैपेसिटर (सुपरकैपेसिटर) में रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के बीच एक मूलभूत अंतर यह है कि बाद में, इलेक्ट्रोड अणुओं के किसी भी चरण परिवर्तन के बिना इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के साथ प्रतिक्रियाएं प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं का एक बहुत तेज़ अनुक्रम हैं। इनमें रासायनिक बंधन बनाना या तोड़ना शामिल नहीं है। सॉल्वेशन | डी-सॉल्वेटेड परमाणु या आयन स्यूडोकैपेसिटेंस का योगदान करते हुए बस चिपकते हैं इलेक्ट्रोड की परमाणु संरचना के लिए और चार्ज भौतिक सोखना प्रक्रियाओं द्वारा सतहों पर वितरित किए जाते हैं। बैटरियों की तुलना में, सुपरकैपेसिटर फैराडिक प्रक्रियाएं समय के साथ बहुत तेज और अधिक स्थिर होती हैं, क्योंकि वे केवल प्रतिक्रिया उत्पादों के निशान छोड़ती हैं। इन उत्पादों की कम मात्रा के बावजूद, वे समाई में गिरावट का कारण बनते हैं। यह व्यवहार स्यूडोकैपेसिटेंस का सार है।

स्यूडोकैपेसिटिव प्रक्रियाएं चार्ज-निर्भर, रैखिक कैपेसिटिव व्यवहार के साथ-साथ बैटरी के विपरीत गैर-फैराडिक डबल-लेयर कैपेसिटेंस की उपलब्धि की ओर ले जाती हैं, जिसमें लगभग चार्ज-स्वतंत्र व्यवहार होता है। स्यूडोकैपेसिटेंस की मात्रा सतह क्षेत्र, सामग्री और इलेक्ट्रोड की संरचना पर निर्भर करती है। स्यूडोकैपेसिटेंस समान सतह क्षेत्र के लिए डबल-लेयर कैपेसिटेंस के मान को 100x से अधिक कर सकता है।

समाई कार्यक्षमता
कैपेसिटर टर्मिनलों पर वोल्टेज लगाने से इलेक्ट्रोलाइट में ध्रुवीकृत आयन या आवेशित परमाणु विपरीत ध्रुवीकृत इलेक्ट्रोड में चले जाते हैं। इलेक्ट्रोड और आसन्न इलेक्ट्रोलाइट की सतहों के बीच एक इलेक्ट्रिक डबल लेयर (इंटरफेसियल) | डबल-लेयर फॉर्म। इलेक्ट्रोड सतह पर आयनों की एक परत और इलेक्ट्रोलाइट में आसन्न ध्रुवीकृत और सॉल्वेटेड आयनों की दूसरी परत विपरीत ध्रुवीकृत इलेक्ट्रोड में चली जाती है। दो आयन परतें इलेक्ट्रोलाइट अणुओं की एक परत से अलग होती हैं। दो परतों के बीच, एक स्थिर विद्युत विद्युत क्षेत्र बनता है जिसके परिणामस्वरूप डबल-लेयर कैपेसिटेंस होता है। इलेक्ट्रिक डबल-लेयर के साथ, कुछ सॉल्वेशन | डी-सॉल्वेटेड इलेक्ट्रोलाइट आयन अलग करने वाली सॉल्वेंट परत में व्याप्त होते हैं और इलेक्ट्रोड की सतह के परमाणुओं द्वारा सोख लिए जाते हैं। वे विशेष रूप से सोख लिए जाते हैं और अपना चार्ज इलेक्ट्रोड तक पहुंचाते हैं। दूसरे शब्दों में, हेल्महोल्ट्ज़ डबल-लेयर के भीतर इलेक्ट्रोलाइट में आयन भी इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में कार्य करते हैं और इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रोड परमाणुओं में स्थानांतरित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप फैराडिक करंट होता है। यह फैराडिक चार्ज-ट्रांसफर कॉम्प्लेक्स, इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड सतह के बीच प्रतिवर्ती रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं, कैपेसिटिव डीओनाइज़ेशन या इंटरकलेशन (रसायन विज्ञान) प्रक्रियाओं के एक तेज़ क्रम से उत्पन्न होता है, जिसे स्यूडोकैपेसिटेंस कहा जाता है।

इलेक्ट्रोड की संरचना या सतह सामग्री के आधार पर, स्यूडोकैपेसिटेंस तब उत्पन्न हो सकता है जब विशेष रूप से सोखने वाले आयन डबल-लेयर में व्याप्त होते हैं, कई एक-इलेक्ट्रॉन चरणों में आगे बढ़ते हैं। फैराडिक प्रक्रियाओं में शामिल इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रोड के रासायनिक संयोजन इलेक्ट्रॉन | वैलेंस-इलेक्ट्रॉन स्टेट्स (परमाणु कक्षीय) में या उससे स्थानांतरित किया जाता है और बाहरी सर्किट के माध्यम से विपरीत इलेक्ट्रोड में प्रवाहित किया जाता है, जहां समान संख्या में विपरीत चार्ज वाले आयनों के साथ दूसरी डबल-लेयर होती है। रूपों। इलेक्ट्रॉन दृढ़ता से आयनित और इलेक्ट्रोड सतह के इलेक्ट्रॉन भूखे संक्रमण-धातु आयनों में रहते हैं और सोखने वाले आयनों में स्थानांतरित नहीं होते हैं। इस तरह के स्यूडोकैपेसिटेंस में संकीर्ण सीमा के भीतर एक रैखिक कार्य होता है और इलेक्ट्रिक क्षमता द्वारा निर्धारित किया जाता है। सोखने वाले आयनों की सतह कवरेज की संभावित-निर्भर डिग्री। स्यूडोकैपेसिटेंस की भंडारण क्षमता अभिकर्मक या उपलब्ध सतह की परिमित मात्रा द्वारा सीमित होती है।

स्यूडोकैपेसिटेंस को जन्म देने वाली प्रणालियाँ: * रेडॉक्स सिस्टम: ऑक्स + ज़ी‾ ⇌ लाल
 * अंतर्संबंध (रसायन विज्ञान) प्रणाली: में* कैपेसिटिव विआयनीकरण, मेटल एडैटम्स या एच का अंडरपोटेंशियल डिपोजिशन:  + ze‾ + S ⇌ SM या  + ई‾ + एस ⇌ एसएच (एस = सतह जाली साइटों)

सुपरकैपेसिटर में तीनों प्रकार की विद्युत रासायनिक प्रक्रियाएं दिखाई दी हैं। स्यूडोकैपेसिटेंस का निर्वहन करते समय, चार्ज ट्रांसफर उलट जाता है और आयन या परमाणु डबल-लेयर छोड़ देते हैं और पूरे इलेक्ट्रोलाइट में फैल जाते हैं।

सामग्री
इलेक्ट्रोड की स्यूडोकैपेसिटेंस का उत्पादन करने की क्षमता इलेक्ट्रोड सतह पर और साथ ही इलेक्ट्रोड छिद्र संरचना और आयाम पर आयनों के लिए इलेक्ट्रोड सामग्री की रासायनिक आत्मीयता पर निर्भर करती है। स्यूडोकैपेसिटर इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग के लिए रेडॉक्स व्यवहार प्रदर्शित करने वाली सामग्री प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड सामग्री जैसे सक्रिय कार्बन में डोपिंग द्वारा डाले गए संक्रमण-धातु ऑक्साइड हैं, साथ ही इलेक्ट्रोड सामग्री को कवर करने वाले पॉलीएनीलाइन या पॉलीथियोफीन के डेरिवेटिव जैसे पॉलीमर का संचालन करते हैं।

संक्रमण धातु ऑक्साइड/सल्फाइड
ये सामग्रियां उच्च स्यूडोकैपेसिटेंस प्रदान करती हैं और कॉनवे द्वारा गहन अध्ययन किया गया था। दयाता जैसे संक्रमण धातुओं के कई ऑक्साइड, इरिडियम , लोहा , मैंगनीज या सल्फाइड जैसे टाइटेनियम सल्फाइड  या उनके संयोजन कम संचालन प्रतिरोध के साथ फैराडिक इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण प्रतिक्रियाएं उत्पन्न करते हैं। रूथेनियम डाइऑक्साइड सल्फ्यूरिक एसिड के साथ संयोजन में  इलेक्ट्रोलाइट लगभग 1.2 V प्रति इलेक्ट्रोड की विंडो पर चार्ज/डिस्चार्ज के साथ स्यूडोकैपेसिटेंस का सबसे अच्छा उदाहरण प्रदान करता है। इसके अलावा, इन संक्रमण धातु इलेक्ट्रोड पर प्रतिवर्तीता उत्कृष्ट है, जिसमें कई सौ-हज़ार चक्रों का चक्र जीवन है। अतिव्यापी क्षमता के साथ कई ऑक्सीकरण चरणों के साथ एक युग्मित, प्रतिवर्ती रेडॉक्स प्रतिक्रिया से स्यूडोकैपेसिटेंस उत्पन्न होता है। इलेक्ट्रॉन ज्यादातर इलेक्ट्रोड के वैलेंस कक्षीय से आते हैं। इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रतिक्रिया बहुत तेज है और उच्च धाराओं के साथ हो सकती है।

इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रतिक्रिया के अनुसार होता है:


 * $$\mathrm{RuO_2 + xH^+ + xe^- \leftrightarrow RuO_{2-x}(OH)_x}$$ कहाँ $$0 \le x \le 2 $$

चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान, (प्रोटॉन) में शामिल या से हटा दिया जाता है  क्रिस्टल संरचना, जो रासायनिक परिवर्तन के बिना विद्युत ऊर्जा का भंडारण उत्पन्न करती है। ओएच समूह इलेक्ट्रोड सतह पर एक आणविक परत के रूप में जमा होते हैं और हेल्महोल्ट्ज़ परत के क्षेत्र में रहते हैं। चूंकि रेडॉक्स प्रतिक्रिया से मापने योग्य वोल्टेज आवेशित अवस्था के समानुपाती होता है, इसलिए प्रतिक्रिया बैटरी के बजाय संधारित्र की तरह व्यवहार करती है, जिसका वोल्टेज काफी हद तक आवेश की स्थिति से स्वतंत्र होता है।

पॉलिमर का संचालन
उच्च मात्रा में स्यूडोकैपेसिटेंस वाली एक अन्य प्रकार की सामग्री इलेक्ट्रॉन-संवाहक पॉलिमर है। पॉलीएनीलाइन, पॉलीथियोफेन, पाली दोस्त आर भूमिका और पॉलीएसिटिलीन जैसे प्रवाहकीय बहुलक में संक्रमण धातु ऑक्साइड की तुलना में फैराडिक चार्ज ट्रांसफर से जुड़े रेडॉक्स प्रक्रियाओं की कम उलटाता होती है, और साइकिल चालन के दौरान सीमित स्थिरता से पीड़ित होती है। इस तरह के इलेक्ट्रोड आयनों और धनायनों के साथ पॉलिमर के इलेक्ट्रोकेमिकल डोपिंग या डीडोपिंग को नियोजित करते हैं। एक नकारात्मक चार्ज (एन-डोप्ड) और एक सकारात्मक चार्ज (पी-डॉप्ड) इलेक्ट्रोड के साथ एन/पी-टाइप पॉलीमर कॉन्फ़िगरेशन के साथ उच्चतम कैपेसिटेंस और पावर घनत्व प्राप्त किया जाता है।

संरचना
स्यूडोकैपेसिटेंस इलेक्ट्रोड संरचना से उत्पन्न हो सकता है, विशेष रूप से सामग्री ताकना आकार से। इलेक्ट्रोड के रूप में कार्बाइड-व्युत्पन्न कार्बन (सीडीसी) या कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) का उपयोग नैनोट्यूब उलझाव द्वारा गठित छोटे छिद्रों का एक नेटवर्क प्रदान करता है। इन नैनोपोरस सामग्रियों का व्यास <2 nm की सीमा में होता है जिसे इंटरकलेटेड पोर्स के रूप में संदर्भित किया जा सकता है। इलेक्ट्रोलाइट में सॉल्वेटेड आयन इन छोटे छिद्रों में प्रवेश करने में असमर्थ हैं, लेकिन डी-सॉल्वेटेड आयन जिन्होंने अपने आयन आयाम को कम कर दिया है, वे प्रवेश करने में सक्षम हैं, जिसके परिणामस्वरूप आयनिक पैकिंग घनत्व और चार्ज स्टोरेज में वृद्धि होती है। नैनो-संरचित कार्बन इलेक्ट्रोड में छिद्रों के सिलवाया आकार आयन कारावास को अधिकतम कर सकते हैं, फैराडिक द्वारा विशिष्ट समाई बढ़ा सकते हैं सोखना उपचार। इलेक्ट्रोलाइट घोल से डी-सॉल्वेटेड आयनों द्वारा इन छिद्रों का कब्ज़ा (फैराडिक) इंटरकलेशन के अनुसार होता है।

सत्यापन
स्यूडोकैपेसिटेंस गुणों को चक्रीय वोल्टामीटर में व्यक्त किया जा सकता है। एक आदर्श डबल-लेयर कैपेसिटर के लिए, इलेक्ट्रोड क्षमता से स्वतंत्र करंट के साथ, एक आयताकार आकार के वोल्टमोग्राम की संभावित पैदावार को उलटने पर करंट प्रवाह तुरंत उलट जाता है। प्रतिरोधी नुकसान वाले डबल-लेयर कैपेसिटर के लिए, आकार समानांतर चतुर्भुज में बदल जाता है। फैराडिक इलेक्ट्रोड में कैपेसिटर में संग्रहीत विद्युत आवेश दृढ़ता से क्षमता पर निर्भर होता है, इसलिए, संभावित को उलटते समय विलंब के कारण वोल्टामेट्री विशेषताएँ समांतर चतुर्भुज से विचलित हो जाती हैं, अंततः गतिज चार्जिंग प्रक्रियाओं से आती हैं।

अनुप्रयोग
सुपरकैपेसिटर में स्यूडोकैपेसिटेंस एक महत्वपूर्ण संपत्ति है।