一種新模型考慮了廣泛的離子電極相互作用，并預(yù)測(cè)了設(shè)備存儲(chǔ)電荷的能力。該模型的理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)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(jí)電容器，用于便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車。這項(xiàng)研究已發(fā)表在ChemPhysChem上。
許多設(shè)備都會(huì)儲(chǔ)存能量以備將來(lái)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(wú)論現(xiàn)有條件或負(fù)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(jí)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(gè)逐漸儲(chǔ)存能量以供長(zhǎng)期使用的罐子，那么超級(jí)電容器就像一個(gè)可以快速裝滿和倒空的桶。這意味著超級(jí)電容器可以在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存能量，并立即以大爆發(fā)的方式釋放能量。
超級(jí)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(jí)電容器能夠在非常高的電流下工作，幾乎類似于短路。當(dāng)需要快速、強(qiáng)大的充電時(shí)，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(guò)超級(jí)電容器中通過(guò)電雙層 (EDL) 積累能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
任何電容器存儲(chǔ)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(jí)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(jí)電容器在存儲(chǔ)能量方面可以大大超越傳統(tǒng)電容器。
在現(xiàn)實(shí)條件下，電雙層受量子水平的化學(xué)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(duì)于提高電氣設(shè)備的效率至關(guān)重要。
高等經(jīng)濟(jì)學(xué)院 MIEM 系和謝苗諾夫化學(xué)物理研究中心的科學(xué)家開發(fā)了一個(gè)模型來(lái)描述電極和電解質(zhì)溶液界面處的電雙層，使用改進(jìn)的泊松-玻爾茲曼方程進(jìn)行計(jì)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(chǎng)對(duì)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(xì)描述差分電容分布，測(cè)量 EDL 在電壓變化時(shí)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(cè)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(xiàng)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(cè)復(fù)雜電化學(xué)系統(tǒng)行為的適用性。
“我們的理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全吻合。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中量化差分電容并非易事，需要細(xì)致、耗時(shí)的程序，”MIEM HSE 計(jì)算物理實(shí)驗(yàn)室首席研究員、論文作者之一 Yury Budkov 評(píng)論道。該模型將能夠在難以或無(wú)法獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下預(yù)測(cè)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(shí)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(lái)，作者計(jì)劃擴(kuò)展該模型，以涵蓋離子-電極相互作用更強(qiáng)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(xué)裝置運(yùn)行的其他因素。這對(duì)于開發(fā)可用于從便攜式電子設(shè)備到電動(dòng)汽車等一系列設(shè)備的新型超級(jí)電容器非常重要，”Budkov 說(shuō)。
標(biāo)簽：
免責(zé)聲明：本文由用戶上傳，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除！