Многие ученые заинтересованы в разработке суперконденсаторов, в которых между заряженными пластинами имеется электролит, а не твердый диэлектрик. В области электрохимии циклическая вольтамперометрия (CV) часто используется для определения емкости электродов (например, электродов на основе углерода) в суперконденсаторах.
Я часто слышал, что идеальный конденсатор приводит к прямоугольной циклической вольтамперограмме (CV). Можете ли вы помочь мне понять, почему это так? Другими словами, почему идеальный конденсатор достигает постоянного тока I, как только подается напряжение V ?
Я действительно вижу почти идеальные резюме во многих литературных статьях (резюме довольно прямоугольные с закругленными углами). Однако на других рисунках я вижу относительное отклонение от «прямоугольников с закругленными углами» в том, что я вижу резкие пики, пики или впадины.
Например, ниже я нанес две фигуры из Хоменко, Electrochimica Acta 2005 , 50 , 2499-2506 . Просто очень грубо и «волнисто», что может быть качественной причиной поведения «прямоугольника с закругленными углами» на рисунке 8 (слева) и поведения «резких пиков» на рисунке 4 (справа)? Может ли быть так, что образец на рисунке 8 (слева) относительно нереактивен в отношении потенциального потенциала, тогда как образец на рисунке 4 (справа) претерпевает окислительно-восстановительные (фарадеевские) реакции - что указывает на наличие так называемой псевдоемкости - когда внешний потенциал применяется?
Пожалуйста, знайте, что я не ищу ответ, специфичный для статьи, на которую я ссылался. Я задаю этот вопрос только в контексте основных качественных аспектов циклической вольтамперометрии. Спасибо!
Ответы:
Идеальный конденсатор создает прямоугольную «вольт-аммограмму», потому что так работают конденсаторы. Посмотрите на уравнение тока через конденсатор как функцию напряжения, и вы должны увидеть это.
Во-первых, давайте выясним, о каком графике вы говорите, тем более что вы используете термин, не свойственный электротехнике. Я слышал это раньше от электрохимиков, но мне потребовалось некоторое время, чтобы понять, что они на самом деле говорили. Вы медленно поднимаете напряжение от некоторой начальной точки к конечной точке, а затем медленно возвращаетесь к начальной точке. Ось X - это напряжение, а ось Y - это ток. Поскольку вы изображаете вольт против ампер, вы бормотаете эти два вместе в «вольтамперограмму».
Например, если измеряется резистор, то часть графика с нарастающим напряжением будет представлять собой прямую линию с током, пропорциональным напряжению в соответствии с сопротивлением. Когда напряжение вернулось к исходному значению, график восстановит ту же линию, что и вверх. Не очень интересно.
Интересные вещи происходят, когда участвуют электрохимические реакции. Например, представьте тестируемую батарею, а не резистор. Батарея заряжается при увеличении напряжения, затем разряжается при уменьшении напряжения. Он не будет идти по тому же пути вперед, что и назад. Фактически, область внутри кривой является грубым показателем электрохимической активности. По сути, все, что связано с «памятью», будет иметь ненулевую область внутри петли низкого-высокого-низкого напряжения.
Теперь давайте рассмотрим измеряемый конденсатор. Ток через конденсатор пропорционален производной от его напряжения:
A = FV / s
Где A - ток в амперах, F емкость в Фарадах, V электродвижущая сила в вольтах и s время в секундах. Так что теперь вы должны увидеть, что если напряжение увеличивается с постоянной скоростью (фиксированное значение V / s), то будет постоянный ток. На вольтамперограмме это означает горизонтальную линию. Теперь, когда напряжение снижается, происходит то же самое, но знак тока переворачивается. Это снова горизонтальная линия, но с некоторым отрицательным током (ниже 0 на графике), тогда как первая линия была выше нуля. Ток мгновенно переключается с положительного на отрицательный, когда напряжение изменяется от увеличения к уменьшению. Ток внезапно изменяется, но с небольшим или нулевым изменением напряжения, что приводит к вертикальным линиям. Соберите все это вместе, и у вас есть коробка для идеального конденсатора.
источник
Вид анализа, который действительно требуется, выходит за рамки химии и лучше всего проводить в осторожных руках инженера-электрика. Я дам краткую попытку, которая использует простой в использовании симулятор цепи.
Сначала нужно подумать об эквивалентной схеме, которую мы можем использовать в качестве модели для определения ее поведения. Я предлагаю следующее:
где моя переменная - это значение R1 для его сопротивления, которое я установлю на 0, 10 и 100 Ом. Если бы мы увидели, как это происходит вовремя, мы бы увидели следующее:
Быстро преобразовав их в Текущее против Напряжения и запустив два других моделирования при разных сопротивлениях, мы получим:
Эти результаты обусловлены настройкой дифференциальных уравнений и их надлежащим решением.
Вы можете поиграть со схемой, которую я сделал для себя здесь .
источник