一種新模型考慮了廣泛的離子電極相互作用，并預(yù)測了設(shè)備存儲電荷的能力。該模型的理論預(yù)測與實驗結(jié)果一致。有關(guān)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(shè)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(yīng)急電源系統(tǒng)和緊湊型設(shè)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(shè)備的效率至關(guān)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(yù)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(yīng)用于上述電解質(zhì)的混合物，證明了其多功能性和預(yù)測復(fù)雜電化學系統(tǒng)行為的適用性。
“我們的理論預(yù)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(yù)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(guān)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(shè)備到電動汽車等一系列設(shè)備的新型超級電容器非常重要，”Budkov 說。
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