स्यूडोकैपेसिटेंस

विशेष रूप से सोखे गए आयनों के साथ द्विपरत का सरलीकृत दृश्य जिसने स्यूडोकैपेसिटेंस के फैराडिक आवेश स्थानांतरण को समझाने के लिए विद्युदग्र को अपना आवेशजमा किया है।

स्यूडोकैपेसिटेंस अतिसंधारित्र में बिजली का विद्युत्-रसायन भंडार (छद्म संधारित्र) है। यह फैराडिक आवेश स्थानांतरण उपयुक्त विद्युदग्र की सतह पर प्रतिवर्ती फैराडिक धारा रिडॉक्स, संधारित्र विआयनीकरण रसायन विज्ञान प्रक्रियाओं के बहुत तेजी अनुक्रम से उत्पन्न होता है। स्यूडोकैपेसिटेंस इलेक्ट्रॉन मिश्रित आवेश स्थानांतरण के साथ होता है। समाधान से आने वाले विद्युत अपघट्य और विद्युदग्र के बीच आवेश स्थानांतरण विघटित और अवशोषण आयन है। जिसमे आवेश मात्रा प्रति इलेक्ट्रॉन सम्मलित है। अवशोषण वाले आयन की विद्युदग्र के परमाणुओं के साथ कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं होती है और कोई रासायनिक बंधन उत्पन्न नहीं होता है चूंकि, केवल आवेश स्थानांतरण होता है।

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

स्यूडोकैपेसिटेंस की मात्रा सतह क्षेत्र सामग्री और विद्युदग्र की संरचना पर निर्भर करती है। स्यूडोकैपेसिटेंस समान सतह क्षेत्र के लिए द्विपरत संधारित्र 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

• द्विपरत और स्यूडोकैपेसिटेंस मॉडल का विकास देखें द्विपरत अंतराफलक।
• विद्युत रासायनिक घटकों का विकास देखे अतिसंधारित्र।

रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं

अंतर

फिर से आवेश करने योग्य संप्रहार

विद्युत अपघट्य और विद्युदग्र की सतह के बीच फैराडिक आवेश स्थानांतरण के साथ फिर से आवेश करने योग्य संप्रहार में रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं दशकों पहले देखी गई थीं। ये रासायनिक प्रक्रियाएं सामान्यतः परिचर चरण संक्रमण के साथ विद्युदग्र सामग्री की रासायनिक प्रतिक्रियाओं से जुड़ी होती हैं। चूंकि ये रासायनिक प्रक्रियाएं अपेक्षाकृत प्रतिवर्ती हैं, बैटरी आवेश चक्र अधिकांशतः अपरिवर्तनीय रूप से अभिकर्मकों के अपरिवर्तित रासायनिक प्रतिक्रिया उत्पादों का उत्पादन करते हैं। तदनुसार, फिर से आवेश करने योग्य संप्रहार का चक्र-जीवन सामान्यतः सीमित होता है। इसके अतिरिक्त, प्रतिक्रिया उत्पाद बिजली घनत्व कम करते हैं। इसके अतिरिक्त, रासायनिक प्रक्रियाएं अपेक्षाकृत धीमी होती हैं, जो आवेशित/अनावेशित समय को बढ़ाती हैं।

विद्युत रासायनिक संधारित्र

विद्युदग्र (बीएमडी) मॉडल पर दोहरी परत का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। 1. इनर हेल्महोल्ट्ज़ प्लेन, (IHP), 2. आउटर हेल्महोल्ट्ज़ प्लेन (OHP), 3. डिफ्यूज़ लेयर, 4. विघटित विद्युत अपघट्य आयन (धनायन) 5. विशेष रूप से सोखे गए आयन (रेडॉक्स आयन, जो स्यूडोकैपेसिटेंस में योगदान करते हैं), 6. वियोग्य के अणु

बैटरी और विद्युत रासायनिक संधारित्र (अतिसंधारित्र) में रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के बीच मूलभूत अंतर यह है। कि विद्युदग्र अणुओं के किसी भी चरण परिवर्तन के अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के साथ प्रतिक्रियाएं प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं का बहुत तेज़ अनुक्रम हैं। इनमें रासायनिक बंधन बनाना या तोड़ना सम्मलित नहीं है। समाधान विघटित परमाणु या आयन स्यूडोकैपेसिटेंस का योगदान करते हुए बस चिपकते हैं।विद्युदग्र की परमाणु संरचना के लिए और आवेश भौतिक अवशोषण प्रक्रियाओं द्वारा सतहों पर वितरित किए जाते हैं। बैटरियों की तुलना में अतिसंधारित्र फैराडिक प्रक्रियाएं समय के साथ बहुत तेज और अधिक स्थिर होती हैं, क्योंकि वे केवल प्रतिक्रिया उत्पादों के चिह्न छोड़ती हैं। इन उत्पादों की कम मात्रा के अतिरिक्त, वे धारिता में गिरावट का कारण बनते हैं। यह व्यवहार स्यूडोकैपेसिटेंस का सार है।

स्यूडोकैपेसिटेंस प्रक्रियाएं आवेश-निर्भर, रैखिक संधारित्र व्यवहार के साथ-साथ बैटरी के विपरीत अ-फैराडिक द्विपरत संधारित्र की उपलब्धि की ओर ले जाती हैं, जिसमें लगभग आवेश-स्वतंत्र व्यवहार होता है। स्यूडोकैपेसिटेंस की मात्रा सतह क्षेत्र, सामग्री और विद्युदग्र की संरचना पर निर्भर करती है। स्यूडोकैपेसिटेंस समान सतह क्षेत्र के लिए द्विपरत संधारित्र के मान को 100x से अधिक कर सकता है।

धारिता कार्य क्षमता

प्लेनर ग्रेफाइट परतों के बीच परस्पर धातु के परमाणु

कार्बाइड-व्युत्पन्न कार्बन (सीडीसी) में मौजूद जैसे छिद्रों में विघटित आयनों का परिरोध। जैसे ही ताकना का आकार सॉल्वैंशन शेल के आकार तक पहुंचता है, वियोग्य के अणु हटा दिए जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप आयनिक पैकिंग घनत्व और आवेशभंडार क्षमता में वृद्धि होती है।

संधारित्र टर्मिनलों पर वोल्टेज लगाने से विद्युत अपघट्य में ध्रुवीकृत आयन या आवेशित परमाणु विपरीत ध्रुवीकृत विद्युदग्र में चले जाते हैं। विद्युदग्र और आसन्न विद्युत अपघट्य की सतहों के बीच विद्युत द्विपरत अंतराफलक या द्विपरत प्रपत्र हैं। विद्युदग्र सतह पर आयनों की परत और विद्युत अपघट्य में आसन्न ध्रुवीकृत और विघटित आयनों की दूसरी परत विपरीत ध्रुवीकृत विद्युदग्र में चली जाती है। दो आयन परतें विद्युत अपघट्य अणुओं की परत से अलग होती हैं। दो परतों के बीच स्थिर विद्युत विद्युत क्षेत्र बनता है जिसके परिणामस्वरूप द्विपरत संधारित्र होता है। द्विपरत विद्युत के साथ कुछ समाधान | विघटित विद्युत अपघट्य आयन अलग करने वाली विलायक परत में व्याप्त होते हैं और विद्युदग्र की सतह के परमाणुओं द्वारा सोख लिए जाते हैं। वे विशेष रूप से सोख लिए जाते हैं और अपना आवेश विद्युदग्र तक पहुंचाते हैं। दूसरे शब्दों में, हेल्महोल्ट्ज़ द्विपरत के भीतर विद्युत अपघट्य में आयन भी इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में कार्य करते हैं। इलेक्ट्रॉनों को विद्युदग्र परमाणुओं में स्थानांतरित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप फैराडिक धारा होता है। यह फैराडिक आवेश स्थानांतरण मिश्रित, विद्युत अपघट्य और विद्युदग्र सतह के बीच प्रतिवर्ती रेडॉक्स संधारित्र मध्यनिवेश रसायन विज्ञान प्रक्रियाओं के तेज़ क्रम से उत्पन्न होता है, जिसे स्यूडोकैपेसिटेंस कहा जाता है।

विद्युदग्र की संरचना या सतह सामग्री के आधार पर, स्यूडोकैपेसिटेंस तब उत्पन्न हो सकता है, जब विशेष रूप से अवशोषण वाले आयन द्विपरत में व्याप्त होते हैं। कई -इलेक्ट्रॉन चरणों में आगे बढ़ते हैं। फैराडिक प्रक्रियाओं में सम्मलित इलेक्ट्रॉनों को विद्युदग्र के रासायनिक संयोजन इलेक्ट्रॉन वैलेंस-इलेक्ट्रॉन स्टेट्स या परमाणु कक्षीय में स्थानांतरित किया जाता है और बाहरी परिपत्र के माध्यम से विपरीत विद्युदग्र में प्रवाहित किया जाता है, जहां समान संख्या में विपरीत आवेश वाले आयनों के साथ द्विपरत होती है। इलेक्ट्रॉन दृढ़ता से आयनित और विद्युदग्र सतह के इलेक्ट्रॉन संक्रमण-धातु आयनों में रहते हैं। अवशोषण वाले आयनों में स्थानांतरित नहीं होते हैं। इस तरह के स्यूडोकैपेसिटेंस में संकीर्ण सीमा के भीतर रैखिक कार्य होता है और विद्युत क्षमता द्वारा निर्धारित किया जाता है। अवशोषण वाले आयनों की सतह आवृत्त क्षेत्र की संभावित-निर्भर डिग्री स्यूडोकैपेसिटेंस की भंडारण क्षमता अभिकर्मक की परिमित मात्रा द्वारा सीमित होती है।

स्यूडोकैपेसिटेंस को जन्म देने वाली प्रणालियाँ:* रेडॉक्स सिस्टम: ऑक्स + ज़ी‾ ⇌ लाल

• अंतर्संबंध (रसायन विज्ञान) प्रणाली: Li⁺
  मेंMa
  ₂* संधारित्र विआयनीकरण, मेटल एडैटम्स या एच का अंडरपोटेंशियल डिपोजिशन:H: M⁺ + ze‾ + S ⇌ SM या H+ (S = सतह जाली स्थल)

अतिसंधारित्र में तीनों प्रकार की विद्युत रासायनिक प्रक्रियाएं दिखाई दी हैं।स्यूडोकैपेसिटेंस का निर्वहन करते समय आवेश स्थानांतरण उलट जाता है। आयन या परमाणु द्विपरत छोड़ देते हैं और पूरे विद्युत अपघट्य में फैल जाते हैं।

सामग्री

विद्युदग्र की स्यूडोकैपेसिटेंस का उत्पादन करने की क्षमता विद्युदग्र सतह पर हैं। और साथ ही विद्युदग्र छिद्र संरचना और आयाम पर आयनों के लिए विद्युदग्र सामग्री की रासायनिक आत्मीयता पर निर्भर करती है। छद्म संधारित्र विद्युदग्र के रूप में उपयोग के लिए रेडॉक्स व्यवहार प्रदर्शित करने वाली सामग्री प्रवाहकीय विद्युदग्र सामग्री जैसे सक्रिय कार्बन में डोपिंग द्वारा डाले गए संक्रमण-धातु ऑक्साइड हैं। साथ ही विद्युदग्र सामग्री को आवरण करने वाले पॉलीएनीलाइन या पॉलीथियोफीन के व्युत्पन्न 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 (RuO
₂), इरिडियम (IrO
₂), लोहा (Fe
₃O
₄), मैंगनीज (MnO
₂) या सल्फाइड जैसे टाइटेनियम सल्फाइड (TiS
₂) या उनके संयोजन कम संचालन प्रतिरोध के साथ फैराडिक इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण प्रतिक्रियाएं उत्पन्न करते हैं। रूथेनियम डाइऑक्साइड (RuO
₂) सल्फ्यूरिक Sिड के साथ संयोजन में (H
₂SO
₄) विद्युत अपघट्य लगभग 1.2 V प्रति विद्युदग्र की विंडो पर आवेश/अनावेशितके साथ स्यूडोकैपेसिटेंस का सबसे अच्छा उदाहरण प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, इन संक्रमण धातु विद्युदग्र पर प्रतिवर्तीता उत्कृष्ट है, जिसमें कई सौ-हज़ार चक्रों का चक्र जीवन है। अतिव्यापी क्षमता के साथ कई ऑक्सीकरण चरणों के साथ युग्मित, प्रतिवर्ती रेडॉक्स प्रतिक्रिया से स्यूडोकैपेसिटेंस उत्पन्न होता है। इलेक्ट्रॉन ज्यादातर विद्युदग्र 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 $0\leq x\leq 2$

आवेशऔर अनावेशितके दौरान, H⁺
(प्रोटॉन) में सम्मलित या से हटा दिया जाता है RuO
₂ क्रिस्टल संरचना, जो रासायनिक परिवर्तन के अतिरिक्त विद्युत ऊर्जा का भंडारण उत्पन्न करती है। ओएच समूह विद्युदग्र सतह पर 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 अन्य प्रकार की सामग्री इलेक्ट्रॉन-संवाहक पॉलिमर है। पॉलीएनीलाइन, पॉलीथियोफेन, पाली दोस्त आर भूमिका और पॉलीSिटिलीन जैसे प्रवाहकीय बहुलक में संक्रमण धातु ऑक्साइड की तुलना में फैराडिक आवेश स्थानांतरणसे जुड़े रेडॉक्स प्रक्रियाओं की कम उलटाता होती है, और साइकिल चालन के दौरान सीमित स्थिरता से पीड़ित होती है। इस तरह के विद्युदग्र आयनों और धनायनों के साथ पॉलिमर के विद्युत रासायनिक डोपिंग या डीडोपिंग को नियोजित करते हैं। नकारात्मक आवेश(एन-डोप्ड) और सकारात्मक आवेश(पी-डॉप्ड) विद्युदग्र के साथ एन/पी-टाइप पॉलीमर कॉन्फ़िगरेशन के साथ उच्चतम कैपेसिटेंस और पावर घनत्व प्राप्त किया जाता है।

संरचना

स्यूडोकैपेसिटेंस विद्युदग्र संरचना से उत्पन्न हो सकता है, विशेष रूप से सामग्री ताकना आकार से। विद्युदग्र के रूप में कार्बाइड-व्युत्पन्न कार्बन (सीडीसी) या कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) का उपयोग नैनोट्यूब उलझाव द्वारा गठित छोटे छिद्रों का 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। विद्युत अपघट्य में विघटित आयन इन छोटे छिद्रों में प्रवेश करने में असमर्थ हैं, लेकिन डी-विघटित आयन जिन्होंने अपने आयन आयाम को कम कर दिया है, वे प्रवेश करने में सक्षम हैं, जिसके परिणामस्वरूप आयनिक पैकिंग घनत्व और आवेशभंडार में वृद्धि होती है। नैनो-संरचित कार्बन विद्युदग्र में छिद्रों के सिलवाया आकार आयन कारावास को अधिकतम कर सकते हैं, फैराडिक द्वारा विशिष्ट धारिता बढ़ा सकते हैं H
₂ अवशोषण उपचार। विद्युत अपघट्य घोल से डी-विघटित आयनों द्वारा इन छिद्रों का कब्ज़ा (फैराडिक) मध्यनिवेश के अनुसार होता है।

सत्यापन

चक्रीय वोल्टमोग्राम स्थिर संधारित्र और छद्म संधारित्र के बीच वर्तमान घटता के मूलभूत अंतर को दर्शाता है

स्यूडोकैपेसिटेंस गुणों को चक्रीय वोल्टामीटर में व्यक्त किया जा सकता है। आदर्श द्विपरत संधारित्र के लिए, विद्युदग्र क्षमता से स्वतंत्र धारा के साथ, आयताकार आकार के वोल्टमोग्राम की संभावित पैदावार को उलटने पर धारा प्रवाह तुरंत उलट जाता है। प्रतिरोधी नुकसान वाले द्विपरत संधारित्र के लिए, आकार समानांतर चतुर्भुज में बदल जाता है। फैराडिक विद्युदग्र में संधारित्र 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 आवेशिंग प्रक्रियाओं से आती हैं।

अनुप्रयोग

अतिसंधारित्र में स्यूडोकैपेसिटेंस महत्वपूर्ण संपत्ति है।

साहित्य

• Héctor D. Abruña; Yasuyuki Kiya; Jay C. Henderson (2008), "Batteries and electrochemical capacitors" (PDF), Physics Today, no. 12, pp. 43–47
• Béguin, Francois; Raymundo-Piñero, E.; Frackowiak, Elzbieta (18 November 2009). "8 Electrical Double-Layer Capacitors and Pseudocapacitors". विद्युत रासायनिक ऊर्जा भंडारण और रूपांतरण प्रणालियों के लिए कार्बन. CRC Press. pp. 329–375. doi:10.1201/9781420055405-c8. ISBN 978-1-4200-5540-5.
• Müller, Klaus; Bockris, J. O'M.; Devanathan, M. A. V. (1965). "आवेशित इंटरफेस की संरचना पर". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 274 (1356): 55–79. doi:10.1098/rspa.1963.0114.
• B. E. Conway (1999), Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications (in Deutsch), Berlin: Springer, ISBN 978-0306457364
• Leitner, K. W.; Winter, M.; Besenhard, J. O. (December 2003). "समग्र सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड". Journal of Solid State Electrochemistry. 8 (1): 15–16. doi:10.1007/s10008-003-0412-x. ISSN 1432-8488.
• Yu M., Volfkovich; Serdyuk, T. M. (September 2002). "विद्युत रासायनिक संधारित्र". Russian Journal of Electrochemistry. 38 (9): 935–959. doi:10.1023/A:1020220425954. ISSN 1608-3342.
• Aiping Yu; Aaron Davies; Zhongwei Chen (2011). "8 - Electrochemical Supercapacitors". In Jiujun Zhang; Lei Zhang; Hansan Liu; Andy Sun; Ru-Shi Liu (eds.). ऊर्जा भंडारण और रूपांतरण के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल टेक्नोलॉजीज, बैंड 1. Weinheim: Wiley-VCH. pp. 317–376. ISBN 978-3-527-32869-7.