Viele Wissenschaftler sind an der Entwicklung von Superkondensatoren interessiert, die zwischen den geladenen Platten eher Elektrolyt als festes Dielektrikum aufweisen. Auf dem Gebiet der Elektrochemie wird häufig die Cyclovoltammetrie (CV) verwendet, um die Kapazität von Elektroden (z. B. Elektroden auf Kohlenstoffbasis) in Superkondensatoren zu bestimmen.
Ich habe oft gehört, dass ein idealer Kondensator zu einem rechteckigen Cyclovoltammogramm (CV) führt. Können Sie mir bitte helfen zu verstehen, warum dies der Fall ist? Mit anderen Worten, warum erreicht ein idealer Kondensator einen konstanten Strom I , sobald eine Spannung V angelegt wird?
Ich sehe in der Tat nahezu ideale Lebensläufe in vielen Literaturartikeln (Lebensläufe, die eher rechteckig mit abgerundeten Ecken sind). In anderen Figuren sehe ich jedoch eine relative Abweichung von "Rechtecken mit abgerundeten Ecken", indem ich abrupte Spitzen, Spitzen oder Täler sehe.
Zum Beispiel habe ich unten zwei Figuren von Khomenko, Electrochimica Acta 2005 , 50 , 2499-2506, aufgezeichnet . Nur sehr grob und "handgewellt", was könnte der qualitative Grund für das Verhalten "Rechteck mit abgerundeten Ecken" in Abbildung 8 (links) und das Verhalten "abrupte Spitzen" in Abbildung 4 (rechts) sein? Könnte es sein, dass die Probe in Abbildung 8 (links) gegenüber dem angelegten Potential relativ unreaktiv ist, während die Probe in Abbildung 4 (rechts) bei einem externen Potential Redoxreaktionen (Faraday-Reaktionen) unterliegt, die auf das Vorhandensein einer sogenannten Pseudokapazität hinweisen wird angewandt?
Bitte beachten Sie, dass ich keine spezifische Antwort für den Artikel suche, auf den ich verlinkt habe. Ich stelle diese Frage nur im Zusammenhang mit grundlegenden qualitativen Aspekten der Cyclovoltammetrie. Vielen Dank!
Antworten:
Ein idealer Kondensator erzeugt ein rechteckiges "Volt-Ammogramm", denn so funktionieren Kondensatoren. Betrachten Sie die Stromgleichung durch einen Kondensator als Funktion der Spannung und Sie sollten dies sehen können.
Lassen Sie uns zunächst klären, um welches Diagramm es sich handelt, insbesondere weil Sie einen in der Elektrotechnik nicht üblichen Begriff verwenden. Ich habe es schon einmal von Leuten aus der Elektrochemie gehört, aber es dauerte eine Weile, bis mir klar wurde, was sie tatsächlich sagten. Sie fegen die Spannung langsam von einem Startpunkt zu einem Endpunkt und dann langsam wieder zurück zum Startpunkt. Die X-Achse ist Spannung und die Y-Achse ist Strom. Da Sie Volt gegen Ampere zeichnen, murmeln Sie diese beiden zusammen in ein "Voltammogramm".
Wenn zum Beispiel ein Widerstand gemessen würde, wäre der Teil der Kurve mit ansteigender Spannung eine gerade Linie mit einem Strom, der proportional zur Spannung gemäß dem Widerstand ist. Wenn die Spannung auf den ursprünglichen Wert zurückgespült wurde, würde das Diagramm dieselbe Linie zurückverfolgen, auf der es sich befand. Nicht besonders aufregend.
Interessante Dinge passieren, wenn elektrochemische Reaktionen beteiligt sind. Stellen Sie sich zum Beispiel eine Batterie vor, die im Gegensatz zu einem Widerstand getestet wird. Die Batterie wird mit zunehmender Spannung aufgeladen und mit abnehmender Spannung entladen. Es wird nicht den gleichen Weg vorwärts wie rückwärts gehen. Tatsächlich ist der Bereich innerhalb der Kurve ein grober Hinweis auf die elektrochemische Aktivität. Grundsätzlich wird alles mit "Speicher" einen Bereich ungleich Null innerhalb der Spannungs-Low-High-Low-Schleife haben.
Betrachten wir nun einen zu messenden Kondensator. Der Strom durch einen Kondensator ist proportional zur Ableitung seiner Spannung:
A = FV / s
Wobei A Strom in Ampere, F Kapazität in Farad, V elektromotorische Kraft in Volt und s Zeit in Sekunden ist. Jetzt sollten Sie also sehen können, dass bei einer konstanten Spannungserhöhung (V / s fest) ein konstanter Strom anliegt. In einem Voltammogramm bedeutet dies eine horizontale Linie. Wenn nun die Spannung verringert wird, passiert dasselbe, aber das Vorzeichen des Stroms wird umgedreht. Dies ist wieder eine horizontale Linie, jedoch mit einem negativen Strom (unter 0 im Diagramm), während die erste Linie über Null lag. Der Strom wechselt sofort von positiv nach negativ, wenn die Spannung von steigend nach abnehmend geändert wird. Der Strom ändert sich plötzlich, jedoch mit geringer oder keiner Spannungsänderung, was zu vertikalen Linien führt. Alles zusammen und Sie haben eine Box für einen idealen Kondensator.
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Die Art der wirklich erforderlichen Analyse liegt außerhalb des Bereichs der Chemie und wird am besten in den sorgfältigen Händen eines Elektrotechnikers durchgeführt. Ich werde einen kurzen Versuch machen, der einen einfach zu bedienenden Schaltungssimulator ausnutzt.
Wir müssen uns zuerst ein Ersatzschaltbild vorstellen, das wir als Modell verwenden können, um sein Verhalten zu bestimmen. Ich schlage folgendes vor:
Dabei ist meine Variable der Wert von R1 für den Widerstand, den ich auf 0, 10 und 100 Ohm setzen werde. Wenn wir dies rechtzeitig beobachten würden, würden wir Folgendes sehen:
Wenn Sie diese schnell in Strom gegen Spannung umwandeln und zwei weitere Simulationen mit unterschiedlichen Widerständen ausführen, erhalten Sie:
Diese Ergebnisse sind darauf zurückzuführen, dass Differentialgleichungen aufgestellt und entsprechend gelöst werden.
Du kannst mit der Schaltung spielen, die ich hier für dich gemacht habe .
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