ความจุแบบสองชั้นเป็นลักษณะสำคัญของชั้นไฟฟ้าคู่^{[ 1 ] [ 2 ]}ซึ่งปรากฏขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างพื้นผิวและของเหลว (ตัวอย่างเช่น ระหว่างอิเล็กโทรด ตัวนำ และอิเล็กโทรไลต์ เหลวที่อยู่ติดกัน ) ที่ขอบเขตนี้ จะเกิดชั้น ประจุไฟฟ้า สองชั้น ที่มีขั้วตรงข้ามกัน ชั้นหนึ่งอยู่ที่พื้นผิวของอิเล็กโทรด และอีกชั้นหนึ่งอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ โดยทั่วไปแล้ว สองชั้นนี้ คืออิเล็กตรอนบนอิเล็กโทรดและไอออนในอิเล็กโทรไลต์ จะถูกคั่นด้วยชั้นโมเลกุลของตัวทำละลาย ชั้นเดียว ที่ยึดติดกับพื้นผิวของอิเล็กโทรดและทำหน้าที่เหมือนไดอิเล็กทริก ใน ตัวเก็บประจุแบบทั่วไปปริมาณประจุที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุแบบสองชั้นขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ ใช้

ความจุแบบสองชั้นเป็นหลักการทางกายภาพที่อยู่เบื้องหลัง ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ชนิดไฟฟ้าสถิตแบบสองชั้น

• การพัฒนาแบบจำลองชั้นคู่และความจุเทียม ดูที่ชั้นคู่ (ส่วนต่อประสาน)
• การพัฒนาส่วนประกอบทางเคมีไฟฟ้า ดูได้จากซูเปอร์คาปาซิเตอร์

เฮล์มโฮลทซ์ได้วางรากฐานทางทฤษฎีสำหรับการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ชั้นคู่ การก่อตัวของชั้นคู่ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมี ทุกชนิด เพื่อเก็บพลังงานไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุทุกตัวมีอิเล็กโทรดสองตัวที่แยกจากกันทางกลไกด้วยตัวคั่น อิเล็กโทรดทั้งสองเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าผ่านอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นส่วนผสมของไอออนบวกและไอออนลบที่ละลายอยู่ในตัวทำละลายเช่น น้ำ บริเวณที่อิเล็กโทรไลต์เหลวสัมผัสกับพื้นผิวโลหะที่เป็นตัวนำของอิเล็กโทรด จะเกิดอินเตอร์เฟซขึ้น ซึ่งแสดงถึงขอบเขตทั่วไประหว่างสสารสองเฟส ปรากฏการณ์ชั้นคู่เกิดขึ้นที่อินเตอร์เฟซนี้^{[ 1 ] [ 2 ]}

เมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับตัวเก็บประจุ จะเกิดไอออนที่มีขั้วสองชั้นขึ้นที่ส่วนต่อประสานของอิเล็กโทรด ชั้นหนึ่งอยู่ภายในอิเล็กโทรดที่เป็นของแข็ง (ที่พื้นผิวของผลึกที่ใช้ทำอิเล็กโทรดซึ่งสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์) อีกชั้นหนึ่งซึ่งมีขั้วตรงข้าม เกิดจาก ไอออนที่ ละลายและ ถูกล้อมรอบด้วยตัวทำ ละลายซึ่งกระจายอยู่ในอิเล็กโทรไลต์และเคลื่อนที่เข้าหาอิเล็กโทรดที่มีขั้ว ไอออนที่มีขั้วทั้งสองชั้นนี้ถูกคั่นด้วยโมเลกุลของตัวทำละลายชั้นเดียวโมเลกุลชั้นเดียวนี้ก่อตัวเป็นระนาบเฮล์มโฮลทซ์ภายใน (IHP) มันยึดติดโดยการดูดซับ ทางกายภาพ บนพื้นผิวของอิเล็กโทรดและแยกไอออนที่มีขั้วตรงข้ามออกจากกัน ทำให้เกิดไดอิเล็กท ริก โมเลกุล

ปริมาณประจุในอิเล็กโทรดจะเท่ากับขนาดของประจุตรงข้ามในระนาบเฮล์มโฮลทซ์ด้านนอก (OHP) ซึ่งเป็นบริเวณใกล้กับ IHP ที่ไอออนของอิเล็กโทรไลต์ที่มีขั้วสะสมอยู่ การแยกไอออนที่มีขั้วสองชั้นผ่านชั้นคู่จะเก็บประจุไฟฟ้าในลักษณะเดียวกับตัวเก็บประจุทั่วไป ประจุในชั้นคู่จะสร้างสนามไฟฟ้าสถิต ในชั้น IHP ของโมเลกุลตัวทำละลาย ซึ่งสอดคล้องกับความแรงของแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไป

ความหนาของชั้นประจุในอิเล็กโทรดโลหะ ซึ่งก็คือระยะเฉลี่ยที่ตั้งฉากกับพื้นผิว มีค่าประมาณ 0.1 นาโนเมตร และขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเป็นหลัก เนื่องจากอะตอมในอิเล็กโทรดของแข็งนั้นอยู่นิ่ง ในอิเล็กโทรไลต์ ความหนาจะขึ้นอยู่กับขนาดของโมเลกุลตัวทำละลาย การเคลื่อนที่ และความเข้มข้นของไอออนในตัวทำละลาย โดยมีค่าตั้งแต่ 0.1 ถึง 10 นาโนเมตร ตามที่อธิบายโดยความยาวเดบาย ผลรวมของความหนาเหล่านี้คือความหนารวมของชั้นคู่

ความหนาเพียงเล็กน้อยของ IHP ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าแรงสูงEเหนือโมเลกุลของตัวทำละลายที่คั่นอยู่ ตัวอย่างเช่น ที่ความต่างศักย์U = 2 V และความหนาของโมเลกุลd = 0.4 nm ความแรงของสนามไฟฟ้าคือ

${\displaystyle E={\frac {U}{d}}={\frac {2\ {\text{V}}}{0.4\ {\text{nm}}}}=5000\ {\text{kV/mm}}}$

การเปรียบเทียบตัวเลขนี้กับค่าจากตัวเก็บประจุประเภทอื่น จำเป็นต้องมีการประมาณค่าสำหรับตัวเก็บประจุแบบอิ เล็กโทร ไลต์ ซึ่งเป็นตัวเก็บประจุที่มีชั้นไดอิเล็กทริกบางที่สุดในบรรดาตัวเก็บประจุทั่วไป ความทนทานต่อแรงดัน ของอะลูมิเนียม ออกไซด์ซึ่งเป็นชั้นไดอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียม มีค่าประมาณ 1.4 นาโนเมตร/โวลต์ ดังนั้นสำหรับตัวเก็บประจุ 6.3 โวลต์ ชั้นไดอิเล็กทริกจะมีค่า 8.8 นาโนเมตร สนามไฟฟ้ามีค่า 6.3 โวลต์/8.8 นาโนเมตร = 716 กิโลโวลต์/มิลลิเมตร ซึ่งต่ำกว่าในตัวเก็บประจุแบบสองชั้นประมาณ 7 เท่าความแรงของสนามไฟฟ้าประมาณ 5000 กิโลโวลต์/มิลลิเมตรนั้นเป็นไปไม่ได้ในตัวเก็บประจุทั่วไป ไม่มีวัสดุไดอิเล็กทริกทั่วไปใดที่สามารถป้องกัน การทะลุผ่าน ของตัวนำประจุได้ในตัวเก็บประจุแบบสองชั้นความเสถียรทางเคมีของพันธะโมเลกุลของตัวทำละลายจะป้องกันการทะลุผ่าน^{[ 3 ]}

แรงที่ทำให้โมเลกุลของตัวทำละลายยึดเกาะใน IHP นั้นเป็นแรงทางกายภาพ ไม่ใช่พันธะเคมี พันธะเคมีมีอยู่ภายในโมเลกุลที่ถูกดูดซับ แต่เป็นพันธะที่มีขั้ว

ขนาดของประจุไฟฟ้าที่สามารถสะสมในชั้นต่างๆ นั้นสัมพันธ์กับความเข้มข้นของไอออนที่ถูกดูดซับและพื้นผิวของอิเล็กโทรด จนถึงแรงดันที่ทำให้อิเล็กโทรไลต์สลายตัว การจัดเรียงนี้จะทำงานคล้ายกับตัวเก็บประจุ ซึ่งประจุไฟฟ้าที่เก็บไว้จะขึ้นอยู่กับแรงดันอย่าง เป็นเส้นตรง

ชั้นคู่ขนานนี้คล้ายกับชั้นไดอิเล็กทริกในตัวเก็บประจุแบบดั้งเดิม แต่มีความหนาเพียงโมเลกุลเดียว การใช้แบบจำลอง Helmholtz ในยุคแรกเพื่อคำนวณค่าความจุ แบบจำลองนี้ทำนายว่าค่าความจุเชิงอนุพันธ์C _d จะคงที่โดย ไม่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของประจุ แม้ว่าจะขึ้นอยู่กับค่าคงที่ไดอิเล็กทริกεและระยะห่างระหว่างชั้นประจุδก็ตาม

${\displaystyle \ C_{d}={\frac {\epsilon }{4\pi \delta }}}$

ถ้าตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์คือน้ำ อิทธิพลของความแรงสนามสูงจะสร้างค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าεเท่ากับ 6 (แทนที่จะเป็น 80 หากไม่มีสนามไฟฟ้า) และระยะห่างระหว่างชั้นδ ประมาณ 0.3 นาโนเมตร แบบจำลอง Helmholtz ทำนายค่าความจุเชิงอนุพันธ์ได้ประมาณ 18 μF/cm² ^{[ 4 ] ค่า}นี้สามารถใช้ในการคำนวณค่าความจุโดยใช้สูตรมาตรฐานสำหรับตัวเก็บประจุแบบแผ่นทั่วไป หากทราบเพียงพื้นผิวของอิเล็กโทรดเท่านั้น ความจุนี้สามารถคำนวณได้ด้วย:

${\displaystyle C={\frac {\varepsilon A}{d}}}$.

ค่าความจุCจะมากที่สุดในส่วนประกอบที่ทำจากวัสดุที่มีค่าสภาพยอม ทางไฟฟ้า εสูง พื้นที่ผิวแผ่นอิเล็กโทรดA ขนาดใหญ่ และระยะห่าง d ระหว่างแผ่นมีขนาดเล็ก เนื่องจาก อิเล็กโทรด คาร์บอนกัมมันต์มีพื้นที่ผิวสูงมากและระยะห่างของชั้นคู่ที่บางมาก ซึ่งอยู่ในระดับไม่กี่อังสตรอม (0.3-0.8 นาโนเมตร) จึงเข้าใจได้ว่าทำไมซูเปอร์คาปาซิเตอร์จึงมีค่าความจุสูงสุดในบรรดาคาปาซิเตอร์ (อยู่ในช่วง 10 ถึง 40 μF/ ^cm² ) ^{[ 5 ] [ 6 ]}

ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ผลิตจริงซึ่งมีความจุสองชั้นสูง ค่าความจุจะขึ้นอยู่กับพื้นผิวอิเล็กโทรดและระยะห่างของ DL เป็นหลัก พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น วัสดุและโครงสร้างของอิเล็กโทรด ส่วนผสมของอิเล็กโทรไลต์ และปริมาณของความจุเทียมก็มีส่วนทำให้ค่าความจุเพิ่มขึ้นด้วย^{[ 1 ]}

เนื่องจากตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองตัว ประจุไฟฟ้าในชั้นเฮล์มโฮลทซ์ที่อิเล็กโทรดตัวหนึ่งจะถูกสะท้อน (ด้วยขั้วตรงข้าม) ในชั้นเฮล์มโฮลทซ์ที่สองที่อิเล็กโทรดตัวที่สอง ดังนั้น ค่าความจุรวมของตัวเก็บประจุแบบสองชั้นจึงเป็นผลลัพธ์ของตัวเก็บประจุสองตัวที่ต่ออนุกรมกัน หากอิเล็กโทรดทั้งสองมีค่าความจุใกล้เคียงกัน เช่นในซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบสมมาตร ค่าความจุรวมจะประมาณครึ่งหนึ่งของค่าความจุของอิเล็กโทรดตัวเดียว

• ชั้นคู่ (วิทยาศาสตร์พื้นผิว)
• Béguin, Francois; Frackowiak, Elzbieta (18 พฤศจิกายน 2009). "ตัวเก็บประจุไฟฟ้าสองชั้นและตัวเก็บประจุเทียม 8 ชนิด" . คาร์บอนสำหรับระบบการจัดเก็บและการแปลงพลังงานไฟฟ้าเคมี . Taylor & Francis. หน้า  329– 375. doi : 10.1201/9781420055405-c8 (ไม่ใช้งาน 12 กรกฎาคม 2025). ISBN 978-1-4200-5307-4.{{cite book}}: CS1 maint: DOI ไม่ใช้งานแล้วตั้งแต่เดือนกรกฎาคม 2025 ( ลิงก์ )
• มุลเลอร์, เคลาส์ (1963). ว่าด้วยโครงสร้างของส่วนต่อประสานที่มีประจุ . เล่มที่ 274. บัณฑิตวิทยาลัยศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย. หน้า  55–79 . รหัสบรรณานุกรม : 1963RSPSA.274...55B . doi : 10.1098/rspa.1963.0114 . S2CID  94958336 .{{cite book}}: |work=ละเลย ( ช่วยเหลือ )
• BE Conway (1999), ตัวเก็บประจุยิ่งยวดทางไฟฟ้าเคมี: หลักการทางวิทยาศาสตร์และการประยุกต์ใช้ทางเทคโนโลยี (ภาษาเยอรมัน), เบอร์ลิน: Springer
• Leitner, KW; Winter, M.; Besenhard, JO (2003-12-01). "อิเล็กโทรดซูเปอร์คาปาซิเตอร์คอมโพสิต". Journal of Solid State Electrochemistry . 8 (1): 15– 16. doi : 10.1007/s10008-003-0412-x . ISSN  1433-0768 . S2CID  95416761 .
• Yu., M.; Volfkovich, TM (กันยายน 2545). "ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมี". วารสารไฟฟ้าเคมีของรัสเซีย . 38 (9): 935– 959. doi : 10.1023/A:1020220425954 . ISSN  1608-3342 .
• เทคโนโลยีทางไฟฟ้าเคมีสำหรับการจัดเก็บและการแปลงพลังงาน เล่ม 1 (ภาษาเยอรมัน) ไวน์ไฮม์