स्यूडोकैपेसिटेंस: Difference between revisions
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* | * द्विपरत और स्यूडोकैपेसिटेंस मॉडल का विकास देखें द्विपरत ([[अंतराफलक]]) | ||
* | * विद्युत रासायनिक घटकों का विकास देखे [[सुपरकैपेसिटर|अतिसंधारित्र]] | ||
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==== [[फिर से चार्ज करने लायक संप्रहार|फिर से | ==== [[फिर से चार्ज करने लायक संप्रहार|फिर से आवेश करने योग्य संप्रहार]] ==== | ||
विद्युत अपघट्य और विद्युदग्र की सतह के बीच फैराडिक आवेश स्थानांतरण के साथ | 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 प्रक्रिया]][[एं]] 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। | ||
==== इलेक्ट्रो-केमिकल कैपेसिटर ==== | ==== इलेक्ट्रो-केमिकल कैपेसिटर ==== | ||
[[File:Electric double-layer (BMD model) NT-int.svg|thumb|right|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. | [[File:Electric double-layer (BMD model) NT-int.svg|thumb|right|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 कैपेसिटर (अतिसंधारित्र) में रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के बीच मूलभूत अंतर यह है कि बाद में, विद्युदग्र अणुओं के किसी भी चरण परिवर्तन के बिना इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के साथ प्रतिक्रियाएं प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं का बहुत तेज़ अनुक्रम हैं। इनमें रासायनिक बंधन बनाना या तोड़ना सम्मलित नहीं है। सॉल्वेशन | डी-विघटित परमाणु या आयन स्यूडोकैपेसिटेंस का योगदान करते हुए बस चिपकते हैं<ref name="Garthwaite" />विद्युदग्र की परमाणु संरचना के लिए और आवेशभौतिक [[सोखना|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 निशान छोड़ती हैं। इन उत्पादों की कम मात्रा के बावजूद, वे समाई में गिरावट का कारण बनते हैं। यह व्यवहार स्यूडोकैपेसिटेंस का सार है। | ||
स्यूडोसंधारित्र प्रक्रियाएं चार्ज-निर्भर, रैखिक संधारित्र व्यवहार के साथ-साथ बैटरी के विपरीत गैर-फैराडिक द्विपरत संधारित्र की उपलब्धि की ओर ले जाती हैं, जिसमें लगभग चार्ज-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।<ref name="conway1" /> | स्यूडोसंधारित्र प्रक्रियाएं चार्ज-निर्भर, रैखिक संधारित्र व्यवहार के साथ-साथ बैटरी के विपरीत गैर-फैराडिक द्विपरत संधारित्र की उपलब्धि की ओर ले जाती हैं, जिसमें लगभग चार्ज-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।<ref name="conway1" /> | ||
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== समाई कार्यक्षमता == | == समाई कार्यक्षमता == | ||
[[File:Intercalactionrp.png|thumb|right|प्लेनर ग्रेफाइट परतों के बीच परस्पर धातु के परमाणु]] | [[File:Intercalactionrp.png|thumb|right|प्लेनर ग्रेफाइट परतों के बीच परस्पर धातु के परमाणु]] | ||
[[File:Figure5CDC.jpg|thumb|right|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, | [[File:Figure5CDC.jpg|thumb|right|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।]]कैपेसिटर 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 इलेक्ट्रिक द्विपरत (अंतराफलक) | डबल-लेयर फॉर्म। 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। इलेक्ट्रिक डबल-लेयर के साथ, कुछ सॉल्वेशन | डी-विघटित विद्युत अपघट्य आयन अलग करने वाली सॉल्वेंट 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 आवेशविद्युदग्र तक पहुंचाते हैं। दूसरे शब्दों में, हेल्महोल्ट्ज़ डबल-लेयर के भीतर विद्युत अपघट्य में आयन भी [[इलेक्ट्रॉन दाता]]ओं के रूप में कार्य करते हैं और इलेक्ट्रॉनों को विद्युदग्र परमाणुओं में स्थानांतरित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप फैराडिक धारा होता है। यह फैराडिक [[चार्ज-ट्रांसफर कॉम्प्लेक्स|आवेश स्थानांतरण मिश्रित]], विद्युत अपघट्य और विद्युदग्र सतह के बीच प्रतिवर्ती रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं, संधारित्र डीओनाइज़ेशन या इंटरकलेशन (रसायन विज्ञान) प्रक्रियाओं के तेज़ क्रम से उत्पन्न होता है, जिसे स्यूडोकैपेसिटेंस कहा जाता है।<ref name="Conway-Pell" /> | ||
विद्युदग्र की संरचना या सतह सामग्री के आधार पर, स्यूडोकैपेसिटेंस तब उत्पन्न हो सकता है जब विशेष रूप से अवशोषण वाले आयन डबल-लेयर 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 ([[परमाणु कक्षीय]]) में या उससे स्थानांतरित किया जाता है और बाहरी सर्किट के माध्यम से विपरीत विद्युदग्र में प्रवाहित किया जाता है, जहां समान संख्या में विपरीत आवेशवाले आयनों के साथ दूसरी डबल-लेयर होती है। रूपों। इलेक्ट्रॉन दृढ़ता से आयनित और विद्युदग्र सतह के इलेक्ट्रॉन भूखे संक्रमण-धातु आयनों में रहते हैं और अवशोषण वाले आयनों में स्थानांतरित नहीं होते हैं। इस तरह के स्यूडोकैपेसिटेंस में संकीर्ण सीमा के भीतर रैखिक कार्य होता है और इलेक्ट्रिक क्षमता द्वारा निर्धारित किया जाता है। अवशोषण वाले आयनों की सतह कवरेज की संभावित-निर्भर डिग्री। स्यूडोकैपेसिटेंस की भंडारण क्षमता [[अभिकर्मक]] या उपलब्ध सतह की परिमित मात्रा द्वारा सीमित होती है। | विद्युदग्र की संरचना या सतह सामग्री के आधार पर, स्यूडोकैपेसिटेंस तब उत्पन्न हो सकता है जब विशेष रूप से अवशोषण वाले आयन डबल-लेयर 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 ([[परमाणु कक्षीय]]) में या उससे स्थानांतरित किया जाता है और बाहरी सर्किट के माध्यम से विपरीत विद्युदग्र में प्रवाहित किया जाता है, जहां समान संख्या में विपरीत आवेशवाले आयनों के साथ दूसरी डबल-लेयर होती है। रूपों। इलेक्ट्रॉन दृढ़ता से आयनित और विद्युदग्र सतह के इलेक्ट्रॉन भूखे संक्रमण-धातु आयनों में रहते हैं और अवशोषण वाले आयनों में स्थानांतरित नहीं होते हैं। इस तरह के स्यूडोकैपेसिटेंस में संकीर्ण सीमा के भीतर रैखिक कार्य होता है और इलेक्ट्रिक क्षमता द्वारा निर्धारित किया जाता है। अवशोषण वाले आयनों की सतह कवरेज की संभावित-निर्भर डिग्री। स्यूडोकैपेसिटेंस की भंडारण क्षमता [[अभिकर्मक]] या उपलब्ध सतह की परिमित मात्रा द्वारा सीमित होती है। | ||
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* अंतर्संबंध (रसायन विज्ञान) प्रणाली: {{chem|Li|+}} में{{chem|Ma|2}}* संधारित्र विआयनीकरण, मेटल एडैटम्स या एच का अंडरपोटेंशियल डिपोजिशन: {{chem|M|+}} + ze‾ + S ⇌ SM या {{chem|H|+}} + ई‾ + एस ⇌ एसएच (एस = सतह जाली साइटों) | * अंतर्संबंध (रसायन विज्ञान) प्रणाली: {{chem|Li|+}} में{{chem|Ma|2}}* संधारित्र विआयनीकरण, मेटल एडैटम्स या एच का अंडरपोटेंशियल डिपोजिशन: {{chem|M|+}} + ze‾ + S ⇌ SM या {{chem|H|+}} + ई‾ + एस ⇌ एसएच (एस = सतह जाली साइटों) | ||
अतिसंधारित्र में तीनों प्रकार की विद्युत रासायनिक प्रक्रियाएं दिखाई दी हैं।<ref name="Conway-Pell">B.E. Conway, W.G. Pell, [https://doi.org/10.1007%2Fs10008-003-0395-7 Double-layer and pseudocapacitance types of electrochemical capacitors and their applications to the development of hybrid components]</ref><ref name="Conway-Birss">B. E. Conway, [[Viola Birss|V. Birss]], J. Wojtowicz, [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775396024743 The role and the utilization of pseudocapacitance for energy storage by supercapacitors], Journal of Power Sources, Volume 66, Issues 1–2, May–June 1997, Pages 1–14</ref> | |||
स्यूडोकैपेसिटेंस का निर्वहन करते समय, आवेश स्थानांतरणउलट जाता है और आयन या परमाणु डबल-लेयर छोड़ देते हैं और पूरे विद्युत अपघट्य में फैल जाते हैं। | स्यूडोकैपेसिटेंस का निर्वहन करते समय, आवेश स्थानांतरणउलट जाता है और आयन या परमाणु डबल-लेयर छोड़ देते हैं और पूरे विद्युत अपघट्य में फैल जाते हैं। | ||
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ये सामग्रियां उच्च स्यूडोकैपेसिटेंस प्रदान करती हैं और कॉनवे द्वारा गहन अध्ययन किया गया था।<ref name="conway1"/><ref name="Conway Transition">{{cite journal |last=Conway |first=B. E. |title=Transition from 'Supercapacitor' to 'Battery' Behavior in Electrochemical Energy Storage |journal=J. Electrochem. Soc. |volume=138 |number=6 |date=May 1991 |pages=1539–1548 |doi=10.1149/1.2085829}}</ref> [[दयाता]] जैसे संक्रमण धातुओं के कई ऑक्साइड ({{chem|RuO|2}}), [[इरिडियम]] ({{chem|IrO|2}}), [[लोहा]] ({{chem|Fe|3|O|4}}), [[मैंगनीज]] ({{chem|MnO|2}}) या सल्फाइड जैसे [[टाइटेनियम सल्फाइड]] ({{chem|TiS|2}}) या उनके संयोजन कम संचालन प्रतिरोध के साथ फैराडिक इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण प्रतिक्रियाएं उत्पन्न करते हैं।{{cn|date=January 2021}} | ये सामग्रियां उच्च स्यूडोकैपेसिटेंस प्रदान करती हैं और कॉनवे द्वारा गहन अध्ययन किया गया था।<ref name="conway1"/><ref name="Conway Transition">{{cite journal |last=Conway |first=B. E. |title=Transition from 'Supercapacitor' to 'Battery' Behavior in Electrochemical Energy Storage |journal=J. Electrochem. Soc. |volume=138 |number=6 |date=May 1991 |pages=1539–1548 |doi=10.1149/1.2085829}}</ref> [[दयाता]] जैसे संक्रमण धातुओं के कई ऑक्साइड ({{chem|RuO|2}}), [[इरिडियम]] ({{chem|IrO|2}}), [[लोहा]] ({{chem|Fe|3|O|4}}), [[मैंगनीज]] ({{chem|MnO|2}}) या सल्फाइड जैसे [[टाइटेनियम सल्फाइड]] ({{chem|TiS|2}}) या उनके संयोजन कम संचालन प्रतिरोध के साथ फैराडिक इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण प्रतिक्रियाएं उत्पन्न करते हैं।{{cn|date=January 2021}} | ||
[[रूथेनियम डाइऑक्साइड]] ({{chem|RuO|2}}) [[सल्फ्यूरिक एसिड]] के साथ संयोजन में ({{chem|H|2|SO|4}}) विद्युत अपघट्य लगभग 1.2 V प्रति विद्युदग्र की विंडो पर चार्ज/ | [[रूथेनियम डाइऑक्साइड]] ({{chem|RuO|2}}) [[सल्फ्यूरिक एसिड]] के साथ संयोजन में ({{chem|H|2|SO|4}}) विद्युत अपघट्य लगभग 1.2 V प्रति विद्युदग्र की विंडो पर चार्ज/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: | इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रतिक्रिया के अनुसार होता है: | ||
:<math>\mathrm{RuO_2 + xH^+ + xe^- \leftrightarrow RuO_{2-x}(OH)_x}</math> कहाँ <math>0 \le x \le 2 </math><ref name="Simon-Gogotsi">P. Simon, Y.Gogotsi, [http://www.ifc.dicp.ac.cn/library/cailiao/pdf1/Materials%20for%20electrochemical%20capacitors.pdf Materials for electrochemical capacitors, nature materials], VOL 7, NOVEMBER 2008</ref> | :<math>\mathrm{RuO_2 + xH^+ + xe^- \leftrightarrow RuO_{2-x}(OH)_x}</math> कहाँ <math>0 \le x \le 2 </math><ref name="Simon-Gogotsi">P. Simon, Y.Gogotsi, [http://www.ifc.dicp.ac.cn/library/cailiao/pdf1/Materials%20for%20electrochemical%20capacitors.pdf Materials for electrochemical capacitors, nature materials], VOL 7, NOVEMBER 2008</ref> | ||
आवेशऔर | आवेशऔर अनावेशितके दौरान, {{chem|H|+}} ([[प्रोटॉन]]) में सम्मलित या से हटा दिया जाता है {{chem|RuO|2}} क्रिस्टल संरचना, जो रासायनिक परिवर्तन के बिना 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 ==== | ==== पॉलिमर का संचालन ==== | ||
उच्च मात्रा में स्यूडोकैपेसिटेंस वाली 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 आवेश स्थानांतरणसे जुड़े रेडॉक्स प्रक्रियाओं की कम उलटाता होती है, और साइकिल चालन के दौरान सीमित स्थिरता से पीड़ित होती है।{{Citation needed|date=December 2019|reason=removed citation to predatory publisher content}} इस तरह के विद्युदग्र आयनों और धनायनों के साथ पॉलिमर के | उच्च मात्रा में स्यूडोकैपेसिटेंस वाली 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 आवेश स्थानांतरणसे जुड़े रेडॉक्स प्रक्रियाओं की कम उलटाता होती है, और साइकिल चालन के दौरान सीमित स्थिरता से पीड़ित होती है।{{Citation needed|date=December 2019|reason=removed citation to predatory publisher content}} 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 === | === संरचना === | ||
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== अनुप्रयोग == | == अनुप्रयोग == | ||
अतिसंधारित्र में स्यूडोकैपेसिटेंस महत्वपूर्ण संपत्ति है। | |||
== साहित्य == | == साहित्य == | ||
Revision as of 00:59, 10 February 2023
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।[1][2][3] 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[4] 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।[1]
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।
इलेक्ट्रो-केमिकल कैपेसिटर
_NT-int.svg)
बैटरी और विद्युत रासायनिक कैपेसिटर (अतिसंधारित्र) में रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के बीच मूलभूत अंतर यह है कि बाद में, विद्युदग्र अणुओं के किसी भी चरण परिवर्तन के बिना इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के साथ प्रतिक्रियाएं प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं का बहुत तेज़ अनुक्रम हैं। इनमें रासायनिक बंधन बनाना या तोड़ना सम्मलित नहीं है। सॉल्वेशन | डी-विघटित परमाणु या आयन स्यूडोकैपेसिटेंस का योगदान करते हुए बस चिपकते हैं[4]विद्युदग्र की परमाणु संरचना के लिए और आवेशभौतिक 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 निशान छोड़ती हैं। इन उत्पादों की कम मात्रा के बावजूद, वे समाई में गिरावट का कारण बनते हैं। यह व्यवहार स्यूडोकैपेसिटेंस का सार है।
स्यूडोसंधारित्र प्रक्रियाएं चार्ज-निर्भर, रैखिक संधारित्र व्यवहार के साथ-साथ बैटरी के विपरीत गैर-फैराडिक द्विपरत संधारित्र की उपलब्धि की ओर ले जाती हैं, जिसमें लगभग चार्ज-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।[1]
समाई कार्यक्षमता
कैपेसिटर 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 इलेक्ट्रिक द्विपरत (अंतराफलक) | डबल-लेयर फॉर्म। 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। इलेक्ट्रिक डबल-लेयर के साथ, कुछ सॉल्वेशन | डी-विघटित विद्युत अपघट्य आयन अलग करने वाली सॉल्वेंट 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 आवेशविद्युदग्र तक पहुंचाते हैं। दूसरे शब्दों में, हेल्महोल्ट्ज़ डबल-लेयर के भीतर विद्युत अपघट्य में आयन भी इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में कार्य करते हैं और 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 प्रतिक्रियाओं, संधारित्र डीओनाइज़ेशन या इंटरकलेशन (रसायन विज्ञान) प्रक्रियाओं के तेज़ क्रम से उत्पन्न होता है, जिसे स्यूडोकैपेसिटेंस कहा जाता है।[5]
विद्युदग्र की संरचना या सतह सामग्री के आधार पर, स्यूडोकैपेसिटेंस तब उत्पन्न हो सकता है जब विशेष रूप से अवशोषण वाले आयन डबल-लेयर 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 (परमाणु कक्षीय) में या उससे स्थानांतरित किया जाता है और बाहरी सर्किट के माध्यम से विपरीत विद्युदग्र में प्रवाहित किया जाता है, जहां समान संख्या में विपरीत आवेशवाले आयनों के साथ दूसरी डबल-लेयर होती है। रूपों। इलेक्ट्रॉन दृढ़ता से आयनित और विद्युदग्र सतह के इलेक्ट्रॉन भूखे संक्रमण-धातु आयनों में रहते हैं और अवशोषण वाले आयनों में स्थानांतरित नहीं होते हैं। इस तरह के स्यूडोकैपेसिटेंस में संकीर्ण सीमा के भीतर रैखिक कार्य होता है और इलेक्ट्रिक क्षमता द्वारा निर्धारित किया जाता है। अवशोषण 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:[5]* रेडॉक्स सिस्टम: ऑक्स + ज़ी‾ ⇌ लाल
- अंतर्संबंध (रसायन विज्ञान) प्रणाली: Li+
मेंMa
2* संधारित्र विआयनीकरण, मेटल एडैटम्स या एच का अंडरपोटेंशियल डिपोजिशन: M+
+ ze‾ + S ⇌ SM या H+
+ ई‾ + एस ⇌ एसएच (एस = सतह जाली साइटों)
अतिसंधारित्र में तीनों प्रकार की विद्युत रासायनिक प्रक्रियाएं दिखाई दी हैं।[5][6] स्यूडोकैपेसिटेंस का निर्वहन करते समय, आवेश स्थानांतरणउलट जाता है और आयन या परमाणु डबल-लेयर छोड़ देते हैं और पूरे विद्युत अपघट्य में फैल जाते हैं।
सामग्री
विद्युदग्र की स्यूडोकैपेसिटेंस का उत्पादन करने की क्षमता विद्युदग्र सतह पर 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 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।[1][7] 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।[citation needed]
रूथेनियम डाइऑक्साइड (RuO
2) सल्फ्यूरिक एसिड के साथ संयोजन में (H
2SO
4) विद्युत अपघट्य लगभग 1.2 V प्रति विद्युदग्र की विंडो पर चार्ज/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:
- कहाँ [8]
आवेशऔर अनावेशितके दौरान, H+
(प्रोटॉन) में सम्मलित या से हटा दिया जाता है RuO
2 क्रिस्टल संरचना, जो रासायनिक परिवर्तन के बिना 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 पॉलीएसिटिलीन 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।[citation needed] 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 समाई बढ़ा सकते हैं H
2 अवशोषण उपचार। विद्युत अपघट्य घोल से डी-विघटित आयनों द्वारा इन छिद्रों का कब्ज़ा (फैराडिक) इंटरकलेशन के अनुसार होता है।[9][10][11]
सत्यापन
स्यूडोकैपेसिटेंस गुणों को चक्रीय वोल्टामीटर में व्यक्त किया जा सकता है। आदर्श डबल-लेयर कैपेसिटर 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 डबल-लेयर कैपेसिटर के लिए, आकार समानांतर चतुर्भुज में बदल जाता है। फैराडिक विद्युदग्र 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।[12][13]
अनुप्रयोग
अतिसंधारित्र में स्यूडोकैपेसिटेंस महत्वपूर्ण संपत्ति है।
साहित्य
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संदर्भ
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