Mengapa kapasitor ideal menimbulkan voltammogram siklik persegi panjang (CV)?

Banyak ilmuwan tertarik untuk mengembangkan super kapasitor, yang memiliki elektrolit daripada dielektrik padat antara pelat bermuatan. Di bidang elektrokimia, voltametri siklik (CV) sering digunakan untuk menentukan kapasitansi elektroda (misalnya, elektroda berbasis karbon) dalam superkapasitor.

Saya sering mendengar bahwa kapasitor ideal menimbulkan voltammogram siklik persegi panjang (CV). Bisakah Anda membantu saya memahami mengapa hal ini terjadi? Dengan kata lain, mengapa kapasitor ideal mencapai arus konstan I segera setelah tegangan V diterapkan?

Saya memang melihat CV yang hampir ideal di banyak artikel literatur (CV yang agak persegi dengan sudut bulat). Namun, dalam angka lain, saya melihat penyimpangan relatif dari "persegi panjang dengan sudut bulat," di mana saya melihat puncak, paku, atau lembah yang tiba-tiba.

Sebagai contoh, di bawah ini saya telah merencanakan dua angka dari Khomenko, Electrochimica Acta 2005 , 50 , 2499-2506 . Secara kasar dan "tangan bergelombang," apa yang mungkin menjadi alasan kualitatif untuk perilaku "persegi panjang dengan sudut bundar" pada Gambar 8 (kiri) dan perilaku "puncak tiba-tiba" pada Gambar 4 (kanan)? Mungkinkah sampel pada Gambar 8 (kiri) relatif tidak reaktif terhadap potensi yang diterapkan, sedangkan sampel pada Gambar 4 (kanan) mengalami reaksi redoks (Faradaic) - menunjukkan adanya apa yang disebut pseudocapacitance - ketika potensi eksternal sudah diterapkan?

Ketahuilah bahwa saya tidak mencari jawaban khusus untuk artikel yang saya tautkan. Saya hanya mengajukan pertanyaan ini dalam konteks dasar, aspek kualitatif voltametri siklik. Terima kasih!

— Andrew
sumber

Saya bingung dengan penggunaan istilah "kapasitor ideal" di sini. Kapasitor yang ideal, dalam konteks teori rangkaian , adalah elemen rangkaian fiksi dengan hubungan IV berikut ini: . Kapasitor fisik mendekati hubungan ini dalam kondisi operasi tertentu. Jujur saya tidak tahu apa yang dimaksud dengan "kapasitor ideal" dalam pertanyaan Anda. Mungkin Anda akan mempertimbangkan untuk memberikan detail tambahan?

i_{C} = C \frac{d v_{C}}{d t}

$i_C = C \dfrac{dv_C}{dt}$

— Alfred Centauri

@AlfredCentauri Terima kasih atas waktu Anda. Saya seorang ahli kimia, dan saya tidak terlalu fasih dalam fisika dan teknik elektronik. Ketika saya mengatakan "kapasitor ideal," saya mengacu pada kapasitor yang tidak menunjukkan pseudocapacitance. Pseudocapacitance terjadi ketika kapasitor elektrokimia bertindak hampir seperti baterai; Reaksi redoks Faradaic terjadi antara elektroda (misalnya, karbon) dan elektrolit yang terjepit di antara elektroda. Jadi dengan "kapasitor ideal," yang saya maksud adalah kapasitor yang kapasitansinya mematuhi dan itu tidak mengalami reaksi kimia.

C = \frac{Q}{V}

$C = \frac{Q}{V}$

— Andrew

@AlfredCentauri Saya pikir ini berarti saya merujuk ke kapasitor fisik , yang "mendekati dalam kondisi operasi tertentu." Dalam kapasitor elektrokimia, ion (penghitung) dalam elektrolit bermigrasi menuju elektroda bermuatan, membentuk apa yang disebut "lapisan ganda listrik." Secara konseptual, kapasitor elektrokimia mengandung dua lapisan ganda listrik - satu di setiap elektroda.

{saya}_{C} = C \frac{d v_{C}}{d t}

$i_C = C \frac{dv_C}{dt}$

— Andrew

Jawaban:

Kapasitor yang ideal membuat "volt-ammogram" persegi panjang karena itulah cara kerja kapasitor. Lihatlah persamaan arus melalui kapasitor sebagai fungsi dari tegangan dan Anda harus dapat melihatnya.

Pertama, mari kita perjelas grafik apa yang Anda bicarakan terutama karena Anda menggunakan istilah yang tidak biasa untuk teknik elektro. Saya pernah mendengarnya dari orang-orang elektrokimia, tetapi butuh beberapa saat untuk menyadari apa yang sebenarnya mereka katakan. Anda perlahan-lahan menyapu tegangan naik dari beberapa titik awal ke titik akhir, lalu perlahan kembali ke titik awal. Sumbu X adalah tegangan dan sumbu Y adalah arus. Karena Anda merencanakan volt versus amp, Anda menggumamkan keduanya menjadi "voltammogram".

Jika misalnya resistor sedang diukur, maka bagian tegangan naik plot akan menjadi garis lurus dengan arus sebanding dengan tegangan sesuai dengan hambatan. Karena tegangan disapu kembali ke nilai semula, plot akan menelusuri kembali garis yang sama dengan yang naik. Tidak terlalu mengasyikkan.

Hal-hal menarik terjadi ketika reaksi elektrokimia terlibat. Misalnya, bayangkan baterai sedang diuji sebagai lawan dari resistor. Baterai sedang diisi ketika tegangan meningkat, kemudian habis saat tegangan berkurang. Itu tidak akan mengikuti jalan yang sama ke depan seperti mundur. Faktanya, area di dalam kurva adalah indikasi kasar dari aktivitas elektrokimia. Pada dasarnya apa pun dengan "memori" akan memiliki area non-nol di dalam loop tegangan rendah-tinggi-rendah.

Sekarang mari kita pertimbangkan kapasitor yang sedang diukur. Arus melalui kapasitor sebanding dengan turunan dari tegangannya:

A = FV / s

Di mana A saat ini dalam Ampere, kapasitansi F dalam Farad, gaya gerak listrik V dalam volt, dan waktu dalam detik. Jadi sekarang Anda harus dapat melihat bahwa jika tegangan dinaikkan pada kecepatan tetap (V / s tetap), maka akan ada arus konstan. Pada voltammogram ini berarti garis horizontal. Sekarang ketika tegangan berkurang hal yang sama terjadi tetapi tanda arus dibalik. Sekali lagi ini adalah garis horizontal tetapi pada beberapa arus negatif (di bawah 0 pada plot) sedangkan baris pertama di atas nol. Arus beralih secara instan dari positif ke negatif karena tegangan diubah dari kenaikan menjadi menurun. Arus tiba-tiba berubah tetapi dengan sedikit atau tanpa perubahan tegangan, menghasilkan garis vertikal. Gabungkan semuanya dan Anda memiliki sebuah kotak untuk kapasitor yang ideal.

— Olin Lathrop
sumber

Satu masalah yang tidak ditentukan adalah sifat gelombang penggerak. Kapasitor akan menghasilkan plot persegi panjang jika tegangan digerakkan dengan gelombang segitiga, dan plot melingkar jika tegangan atau arus digerakkan dengan gelombang sinus. Jika arus didorong oleh gelombang segitiga, plot kapasitor akan muncul sebagai dua parabola depan ke depan.

— supercat

@ OlinLathrop, saya yakin jawaban Anda pasti benar. OP bertanya, "Dengan kata lain, mengapa kapasitor ideal mencapai arus konstan I segera setelah tegangan V diterapkan?" Tapi, dari plot di sebelah kiri, kita membaca "... (2 mV / s) ..."; plot adalah arus versus tegangan untuk ramp tegangan 2 mV / s . Jadi, OP salah membaca plot. Pertanyaan OP haruslah "Dengan kata lain, mengapa kapasitor ideal mencapai arus konstan I segera setelah ramp tegangan diterapkan?"

— Alfred Centauri

@supercat: Sebuah voltammogram diproduksi dengan voltase yang bervariasi secara perlahan tapi linear kecuali seseorang secara eksplisit mengatakan sebaliknya. Dengan kata lain, pembatasan bahwa ada dV / dt konstan dipahami. Perhatikan bagaimana contoh pertama bahkan mengatakan 2 mV / s. Dalam kondisi ini, kapasitor ideal akan menyebabkan plot persegi panjang.

— Olin Lathrop

@ OlinLathrop: Saya belum menemukan istilah "voltammogram" untuk menggambarkan plot tersebut; Saya kira istilah itu khusus untuk plot gelombang tegangan-segitiga?

— supercat

Jenis analisis yang benar-benar diperlukan adalah di luar lingkup kimia dan akan ditangani dengan baik di tangan seorang insinyur listrik. Saya akan memberikan upaya singkat yang mengeksploitasi simulator sirkuit yang mudah digunakan.

Kita harus terlebih dahulu memikirkan rangkaian ekivalen yang dapat kita gunakan sebagai model untuk menentukan perilakunya. Saya menyarankan yang berikut ini:

di mana variabel saya adalah nilai R1 untuk resistansinya, yang akan saya set ke 0, 10 dan 100 ohm. Jika kita menyaksikan ini terjadi pada waktunya maka kita akan melihat yang berikut:

tegangan dari waktu ke waktu arus listrik dari waktu ke waktu

Konversi ini dengan cepat ke Arus vs Tegangan dan menjalankan dua simulasi lainnya pada berbagai resistensi dan kami mendapatkan:

Riwayat Hidup

Hasil ini adalah karena menyiapkan persamaan diferensial dan menyelesaikannya dengan tepat.

Anda dapat bermain dengan sirkuit yang saya buat sendiri di sini .

— Chris
sumber