Lapisan Ganda Listrik

Lapisan ganda listrik  (electrical double layer) adalah hasil dari variasi potensial listrik di dekat permukaan,

dan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap perilaku koloid dan permukaan lainnya dalam kontak dengan larutan atau konduktor solid-state ion cepat. Lapisan ganda listrik adalah struktur yang muncul pada permukaan suatu benda bila terpapar cairan. Benda tersebut dapat berupa partikel padat, gelembung gas, tetesan cairan, atau badan berpori. Lapisan ganda listrik berbentuk dua lapisan muatan parallel yang menyelimuti objek benda yang tercelup tersebut. Lapisan pertama, muatan permukaan (baik positif atau negatif), terdiri dari ion yang teradsorbsi pada benda karena adanya interaksi kimia. Lapisan kedua terdiri dari ion yang tertarik ke muatan permukaan melalui gaya coulomb, dan menyelubungi lapisan pertama secara elektrik. Lapisan kedua ini terikat secara longgar dengan objek. Lapisan Ini terdiri dari ion-ion yang bebas bergerak dalam cairan di bawah pengaruh daya tarik listrik dan gerak termal sehingga lapisan ini disebut "lapisan difusi".

Perbedaan antar lapisan pada lapisan ganda listrik paling jelas terlihat dalam sistem dengan area permukaan besar untuk rasio volume, seperti koloid atau badan berpori dengan partikel atau pori-pori (masing-masing) pada skala mikrometer untuk nanometer. Namun, DL penting untuk fenomena lain, seperti perilaku elektrokimia dari elektroda. Lapisan ganda listrik memainkan peranan penting dalam banyak zat sehari-hari. Misalnya, susu ada hanya karena tetesan lemak ditutupi dengan DL yang mencegah koagulasi mereka ke mentega. DLS ada di hampir semua sistem berbasis cairan heterogen, seperti darah, cat, tinta dan keramik dan semen lumpur.

Pengembangan Model Lapisan Ganda Elektrik

Model Helmholtz

Ketika sebuah konduktor elektronik mengalami kontak dengan konduktor ionik padat atau cair (elektrolit), batas umum antara dua fase muncul. Hermann von Helmholtz  adalah orang pertama yang menyadari bahwa elektroda bermuatan yang direndam dalam larutan elektrolit dapat menolak ion bermuatan sejenis sementara menarik ion bermuatan berlawanan ke permukaan mereka. Dua lapisan polar yang berlawanan

pada antarmuka antara elektroda dan elektrolit. Pada tahun 1853 ia menunjukkan bahwa lapisan ganda listrik (DL) pada dasarnya adalah sebuah dielektrik molekul dan dapat menyimpan muatan secara elektrostatis. Di bawah tegangan dekomposisi elektrolit, muatan yang tersimpan berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan.

Model awal ini memperkirakan kapasitansi diferensial adalah konstan dan tidak tergantung dari densitas muatan tergantung pada konstanta dielektrik dari pelarut elektrolit dan ketebalan lapisan ganda.

Model ini, merupakan dasar  untuk deskripsi antarmuka, tanpa mempertimbangkan faktor-faktor penting termasuk difusi / pencampuran ion dalam larutan, kemungkinan adsorpsi ke permukaan, dan interaksi antara momen dipol pelarut dan elektroda.

Model Gouy-Chapman

Louis Georges Gouy pada tahun 1910 dan David Leonard Chapman pada tahun 1913 keduanya mengamati

bahwa kapasitansi tidaklah konstan dan tergantung pada potensial dan konsentrasi ion. "Model Gouy- Chapman" membuat perbaikan yang signifikan dengan memperkenalkan model difusi . Dalam model ini ditunjukkan bahwa distribusi muatan adalah fungsi jarak dari permukaan logam dengan menerapkan statistik Maxwell-Boltzmann. Dengan demikian potensi listrik berkurang secara eksponensial dengan melebarnya

jarak dari permukaan cairan pekat.

Model Stern

Model Gouy-Chapman gagal menjelaskan lapisan ganda listrik bermuatan tinggi sehingga pada tahun 1924

Otto Stern menyarankan menggabungkan Helmholtz dengan Gouy-Chapman. Dalam model Stern, sebagion ion mematuhi elektroda seperti yang disarankan oleh Helmholtz, memberikan lapisan Stern internal, sedangkan segaian lainnya membentuk lapisan difus Gouy-Chapman.

Model Stern memiliki keterbatasan sendiri, secara efektif model ini menganggap ion sebagai beban titik, dengan asumsi semua interaksi yang signifikan pada lapisan difus adalah interaksi Coulom, mengasimsikan permitivitas dielektrik konstan di seluruh lapisan ganda dan bahwa viskositas fluida adalah konstan di atas bidang peluncuran.

Model Grahame

DC Grahame mengubah model Stern pada tahun 1947. Ia mengusulkan bahwa

beberapa spesies ionik atau spesies tidak bermuatan dapat menembus lapisan

Stern, meskipun jarak terdekat dengan elektroda biasanya hanya ditempati

oleh molekul pelarut. Hal ini bisa terjadi jika ion kehilangan shell solvasi mereka ketika mereka mendekati elektroda. Dia menyebut ion yang bersentuhan langsung dengan elektroda  “specifically adsorbed ions". Model ini

mengusulkan adanya tiga wilayah. Bidang Helmholtz dalam  merupakan bidang yang melewati pusat-pusat dari specifically adsorbed ions. Bidang Helmholtz luar (OHP), merupakan bidang yang melewati pusat ion terlarut pada jarak pendekatan terdekat mereka ke elektroda. Lapisan terakhir adalah lapisan

difus yang berada di sisi luar bidang luar Helmholtz.

Model Bockris / Devanthan / Müller (BDM)

Pada tahun 1963 J. O'M. Bockris, MAV Devanthan dan K. Alex Muller mengusulkan model BDM dari double-layer yang menmperhatikan interaksi pelarut dalam bidang pertemuan. Mereka menyarankan bahwa molekul pelarut, seperti air, memiliki keteraturan yang tetap terhadap permukaan elektroda. Lapisan pertama molekul pelarut memiliki keseragaman orientasi yang kuat terhadap medan listrik bergantung pada jenis muatan. Orientasi ini memiliki pengaruh besar pada permitivitas pelarut yang bervariasi terhadap kekuatan medan. Bidang Helmholtz dalam  melewati pusat pusat molekul molekul tersebut. Secara spesifik sebagioan ion teradsorbsi, sementara sebagian ion lainnya  terlarut. Ion yang terlarut elektrolit berada di luar Bidang Helmholtz dalam . Bidang luar Helmholtz melalui pusat-pusat ion ini. Lapisan difus adalah wilayah luar OHP. Model BDM adalah model yang paling umum digunakan saat ini.

Model BDM.:

1. Bidang Helmholtz dalam. 2 Bidang Helmholtz luar. 3. Lapisan difusi.

4. Ion terlarut. 5. Ion teradsorbsi. 6. Molekul pelarut

Prinsip Electrical Double Layer Capacitor

Tidak seperti kapasitor keramik atau aluminium kapasitor elektrolitik, Electric Double Layer Capacitor (EDLC) tidak mengandung dielektrik konvensional. Sebaliknya, digunakan elektrolit (padat atau cair) yang diisikan antara dua elektroda (lihat gambar 1). Dalam EDLC, memanfaatkan .lapisan ganda listrik yang terbentuk

antara elektroda dan elektrolit bekerja sebagai dielektrik.

Kapasitansi dari EDC sebanding dengan luas permukaan lapisan ganda listrik. Hal ini dimanfaatkan dengan menggunakan karbon aktif yang memiliki area permukaan besar untuk elektroda, sehingga memungkinkan EDLC memiliki kapasitansi tinggi.

Mekanisme absorbsi ion dan deabsorbsi ke lapisan ganda listrik memberikan kontribusi dalan pengisiann dan penggunaan

Dengan memberikan tegangan pada elektroda yang berhadapan ion tertarik ke permukaan lapisan ganda listrik dan EDLC diberi muatan. Sebaliknya, mereka menjauh saat pemakaian EDLC. Ini adalah bagaimana EDLC yang diisi dan

dikosongkan (lihat gambar 2).

gambar 2: Pengisian dan pengosongan EDLC

Struktur EDLC

EDLC terdiri dari elektroda, elektrolit (garam dan elektrolit), dan penyekat, yang mencegah elektroda

mengalami kontak satu sama lain. Serbuk karbon aktif digunakan sebagai kolektor listrik dari elektroda. . Lapisan ganda listrik terbentuk pada permukaan di mana setiap bubuk menghubungkan dengan elektrolit (lihat gambar 3).

Mengingat struktur ini sebagai rangkaian ekuivalen sederhana, EDLC ditunjukkan oleh anoda dan katoda kapasitor (C1, C2), pemisah, resistensi interelectrode yang terdiri dari resistensi pemisah dan elektrolit (Rs), resistensi elektroda yang terdiri dari elektroda karbon aktif dan kolektor (re), dan tahanan isolasi (R) (lihat gambar 4).

Gambar 3: Struktur

Gambar 4: rangkaian ekuivalen Sederhana

Rangkaian ekivalen EDLC

Elektroda karbon aktif mengandung bubuk dengan lubang pada permukaan masing-masing. Lapisan ganda listrik terbentuk pada setiap permukaan di mana terjadi kontak bubuk dengan elektrolit (lihat gambar 5).

Oleh karena itu, rangkaian ekivalen resistansi elektroda (Re) dan resistensi yang disebabkan oleh ion bergerak (Rs) ditunjukkan oleh rangkaian ekuivalen rumit di mana berbagai resistensi yang terhubung ke kapasitor secara seri untuk kapasitor (lihat gambar6).

 

Gambar 5: Struktur Elektroda

Gambar 6: Detil rangkaian ekuivalen

C: Capacitor

Re: Resistens elktroda

Rs: resistensi Interelectrode

Ri: resisteensi Tahanan