一種新模型考慮了廣泛的離子電極相互作用，并預測了設備存儲電荷的能力。該模型的理論預測與實驗結(jié)果一致。有關電雙層 (EDL) 行為的數(shù)據(jù)可以幫助開發(fā)更高效的超級電容器，用于便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車。這項研究已發(fā)表在ChemPhysChem上。
許多設備都會儲存能量以備將來使用，電池就是其中最著名的例子之一。它們可以持續(xù)釋放能量，無論現(xiàn)有條件或負載如何，都能保持穩(wěn)定的功率輸出，直到完全放電。
相比之下，超級電容器以脈沖方式而非連續(xù)方式提供電力。如果將電池比作一個逐漸儲存能量以供長期使用的罐子，那么超級電容器就像一個可以快速裝滿和倒空的桶。這意味著超級電容器可以在短時間內(nèi)儲存能量，并立即以大爆發(fā)的方式釋放能量。
超級電容器的功率取決于其內(nèi)部電阻，而內(nèi)部電阻非常高。這使得超級電容器能夠在非常高的電流下工作，幾乎類似于短路。當需要快速、強大的充電時，這種系統(tǒng)非常有用，并且可用于汽車、應急電源系統(tǒng)和緊湊型設備。這種效果是通過超級電容器中通過電雙層 (EDL) 積累能量來實現(xiàn)的。
任何電容器存儲電荷的能力都取決于其極板的面積、極板之間的距離以及所用介電材料的類型。由于超級電容器極板之間的電解質(zhì)層只有幾納米厚，并且電極上的多孔涂層提供了很大的表面積，因此超級電容器在存儲能量方面可以大大超越傳統(tǒng)電容器。
在現(xiàn)實條件下，電雙層受量子水平的化學相互作用的影響。因此，研究電雙層的性質(zhì)及其影響因素對于提高電氣設備的效率至關重要。
高等經(jīng)濟學院 MIEM 系和謝苗諾夫化學物理研究中心的科學家開發(fā)了一個模型來描述電極和電解質(zhì)溶液界面處的電雙層，使用改進的泊松-玻爾茲曼方程進行計算。
該模型考慮了離子與周圍水分子之間的特定相互作用、電場對水介電性能的影響以及電極表面可供離子停留的有限空間。這使得能夠詳細描述差分電容分布，測量 EDL 在電壓變化時積累電荷的效率。差分電容越高，該層在電壓變化較小的情況下可以容納的電荷就越多。
該研究考察了高氯酸鈉 (NaClO 4 ) 和六氟磷酸鉀 (KPF 6 ) 水溶液與銀電極的界面。由此產(chǎn)生的模型成功預測了電雙層的結(jié)構(gòu)，為了解不同離子溶液濃度下的電容行為提供了見解。一項重要成就是該模型成功應用于上述電解質(zhì)的混合物，證明了其多功能性和預測復雜電化學系統(tǒng)行為的適用性。
“我們的理論預測與實驗數(shù)據(jù)完全吻合。這一點很重要，因為在實驗過程中量化差分電容并非易事，需要細致、耗時的程序，”MIEM HSE 計算物理實驗室首席研究員、論文作者之一 Yury Budkov 評論道。該模型將能夠在難以或無法獲得實驗數(shù)據(jù)的情況下預測差分電容行為。
這是一系列研究中的第一篇，旨在開發(fā)與現(xiàn)實系統(tǒng)相關的金屬-電解質(zhì)界面電雙層的綜合理論。未來，作者計劃擴展該模型，以涵蓋離子-電極相互作用更強的系統(tǒng)，這是最常見的系統(tǒng)。
“這種模型將能夠解釋影響現(xiàn)代電化學裝置運行的其他因素。這對于開發(fā)可用于從便攜式電子設備到電動汽車等一系列設備的新型超級電容器非常重要，”Budkov 說。
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