双层电容

双层电容是双电层的重要特征，例如出现在导电电极和相邻液体电解质之间的界面处。在该边界处形成两层具有相反极性的电荷，一层在电极表面，一层在电解质中。这两层，即电极上的电子和电解液中的离子，通常由一层溶剂分子隔开，溶剂分子粘附在电极表面，并在传统电容器中起到电介质的作用。双层电容器中存储的电荷量取决于施加的电压。电容的单位是法拉。双层电容是静电双层型超级电容器背后的物理原理。

• 双层和赝电容模型的开发参见双层（界面）
• 电化学元件的开发参见超级电容器

亥姆霍兹为理解双层现象奠定了理论基础。每个电化学电容器都利用双层的形成来存储电能。每个电容器都有两个电极，由隔板机械分离。它们通过电解质电连接，电解质是溶解在溶剂（如水）中的正离子和负离子的混合物。在液体电解质与电极的导电金属表面接触的地方，形成了一个界面，该界面代表了两相物质之间的共同边界。正是在这个界面发生了双层效应。当向电容器施加电压时，在电极界面处会产生两层极化离子。一层在固体电极内（在与电解质接触的晶粒表面）。另一层具有相反的极性，由分布在电解质中的溶解和溶剂化离子形成，这些离子已向极化电极移动。这两层极化离子被单层溶剂分子隔开。分子单层形成内亥姆霍兹平面(IHP)。它通过物理吸附附着在电极表面，使极性相反的离子相互分离，形成分子电介质。电极中的电荷量与外部亥姆霍兹平面(OHP)中的反电荷量相匹配。这是靠近IHP的区域，其中收集了极化的电解质离子。这种通过双层分离两层极化离子的方式以与传统电容器相同的方式存储电荷。双层电荷在溶剂分子的分子IHP层中形成与所施加电压强度相对应的静电场。金属电极中带电层的厚度，即垂直于表面的平均延伸量约为0.1nm，主要取决于电子密度，因为固体电极中的原子是静止的。在电解质中，厚度取决于溶剂分子的大小以及溶剂中离子的运动和浓度。正如德拜长度所描述的，它的范围从0.1到10nm。厚度之和是双层的总厚度。要将这个数字与其他电容器类型的值进行比较，需要对电解电容器进行估计，这是传统电容器中电介质最薄的电容器。铝电解电容器的介电层氧化铝的耐压约为1.4nm/V。因此，对于6.3V电容器，该层为8.8nm。电场为6.3V/8.8nm=716kV/mm，比双层低约7倍。约5000kV/mm的场强在传统电容器中是无法实现的。没有传统的介电材料可以阻止电荷载流子的突破。在双层电容器中，溶剂分子键的化学稳定性可防止突破。导致IHP中溶剂分子粘附的力是物理力而不是化学键。化学键存在于吸附的分子中，但它们是极化的。可以在各层中积累的电荷的大小对应于吸附离子和电极表面的浓度。在电解液的分解电压之前，这种布置就像一个电容器，其中存储的电荷线性地依赖于电压。如果电解质溶剂是水，则高场强的影响会产生6的介电常数ε（而不是在没有施加电场的情况下为80）和层分离δca。0.3nm，亥姆霍兹模型预测的差分电容值约为18µF/cm2。如果仅知道电极的表面，则该值可用于使用传统平板电容器的标准公式计算电容值。在实际生产的具有大量双层电容的超级电容器中，电容值首先取决于电极表面和DL距离。电极材料和结构、电解质混合物和赝电容量等参数也对电容值有影响。因为电化学电容器由两个电极组成，所以一个电极处的亥姆霍兹层中的电荷在第二个电极处的第二个亥姆霍兹层中镜像（极性相反）。因此，双层电容器的总电容值是两个电容器串联的结果。如果两个电极的电容值大致相同，如在对称超级电容器中，则总值大约是一个电极的一半。

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