ĆWICZENIE 8

KONDENSATOR ELEKTROCHEMICZNY

Kondensator - wiadomości podstawowe

Dwa przewodniki nazywane elektrodami rozdzielone dielektrykiem tworzą kondensator. Gdy do okładek kondensatora zostanie doprowadzone napięcie elektryczne U, to zaczyna gromadzić się na nich ładunek elektryczny Q. Ładunek, który może zgromadzić się na jednej z elektrod (okładek) kondensatora nazywany jest ładunkiem kondensatora. Między napięciem, które doprowadzono do okładek kondensatora, a ładunkiem zgromadzonym na tych okładkach zachodzi zależność:

gdzie:

Q - ładunek elektryczny [As]

C - pojemność elektryczna [F]

U - różnica potencjałów między okładkami kondensatora [V]

Z powyższej zależności wynika, że ładunek kondensatora jest wprost proporcjonalny do napięcia. Po przekształceniu powyższego wzoru możemy otrzymać wzór na pojemność kondensatora.

gdzie:

C - pojemność elektryczna [F]

Q - ładunek elektryczny [As]

U - różnica potencjałów między okładkami kondensatora [V]

Pojemność kondensatora jest stosunkiem ładunku Q do napięcia U, które obserwowane jest między okładkami kondensatora. Możemy również stwierdzić, że pojemność kondensatora wyznacza ilość gromadzącego się na okładkach ładunku przy określonej wartości doprowadzonego do nich napięcia.

Najczęściej spotykanym i najprostszym w budowie jest kondensator płaski. Zbudowany jest on z dwóch metalowych okładzin o takich samych wymiarach, oddzielonych od siebie warstwą izolacyjną z dielektryka.

W przypadku tego typu kondensatora pojemność elektryczna jest wprost proporcjonalna do powierzchni elektrod, a odwrotnie proporcjonalna do odległości między nimi. Jeżeli zwiększymy pole powierzchni elektrod S, zwiększy się pojemność kondensatora C. Zależność tą opisuje równanie:

gdzie:

C - pojemnośc elektryczna [F]

S - powierzchnia okładziny [m²]

d - odległość między okładkami [m]

ε - przenikalność dielektryczna [As/Vm]

Kondensator elektrochemiczny

Kondensator elektrochemiczny nie różni się znacznie swoją budową od zwykłego kondensatora. Kondensatory możemy podzielić na dwie grupy:

1. Kondensatory z podwójną warstwą elektryczną, w których istnieje międzyfazowe oddziaływanie ładunku.

2. Superkondensatory (pseudokondensatory), które mogą zwiększać akumulowanie elektrostatyczne ładunku w podwójnej warstwie elektrycznej przez dodatkowy transfer ładunków faradajowskich.

W prostym modelu kondensator elektrochemiczny jest formą dwóch polaryzowalnych elektrod, oddzielonych od siebie separatorem i elektrolitycznym roztworem . Dobór odpowiedniego materiału elektrodowego ma na celu efektywne akumulowanie energii, o długiej trwałości cyklicznej. Ogólnie pojemność C jest oznaczona następującą zależnością:

gdzie:

C - pojemność [F]

C_a - pojemność anody [F]

C_c - pojemność katody [F]

Budowa kondensatora elektrochemicznego

Najczęściej stosowanymi materiałami wykorzystywanymi do budowy elektrod kondensatora elektrochemicznego mogą być węgle kamienne, węgle aktywne, włókniny węglowe.

Pojemność kondensatora elektrochemicznego

Pojemność kondensatora elektrochemicznego jest to stosunek ładunku Q do napięcia U. Możemy również stwierdzić, że pojemność kondensatora wyznacza ilość gromadzącego się ładunku elektrycznego przy określonej wartości doprowadzonego do nich napięcia.

Pojemność kondensatora elektrochemicznego zależy od materiału zastosowanego jako elektrody oraz od rodzaju stosowanego elektrolitu. Pojemność kondensatora możemy zwiększyć, jeżeli na materiał elektrodowy nałożymy np. tlenek metalu, polimer przewodzący czy też materiał elektrodowy poddany procesowi aktywacji.

Cel pracy

Celem pracy jest zbadanie pojemnościowych charakterystyk kondensatora elektrochemicznego, zbudowanego z włókniny PAN (poliakrylonitrylu) w środowisku alkalicznym, za pomocą woltamperometrii cyklicznej.

Przebieg ćwiczenia

Przygotować:

• 6 M KOH

• 2 krążki z włókniny węglowej o średnicy 12 mm

• 3 krążki z papieru szklanego

Zbudować kondensator według wskazań prowadzącego, a następnie przebadać kondensator przy pomocy metody woltamperometrii cyklicznej z trzema prędkościami przesuwu potencjału (poda prowadzący).

Opracowanie wyników

Sporządzić wykresy I = f(E). Korzystając z wykresów wyliczyć pojemności kondensatorów elektrochemicznych dla trzech prędkości przesuwu potencjału.

Literatura

1. A. Kisza, Elektrochemia I, Jonika, WNT, Warszawa 2000.

2. A. Kisza, Elektrochemia II, Elektrodyka, WNT, Warszawa 2001.

3. B. E. Conway, Electrochemical supercapacitors scientific fundamentals and technological applications, Kluwer Academic/ Plenum Publishers, New York 1999.

---