Исследователи из Московского института электроники и математики (МИЭМ НИУ ВШЭ) и Института химической физики имени Н. Н. Семёнова РАН разработали новую модель двойного электрического слоя, учитывающую множество взаимодействий ионов с электродами для прогнозирования способности устройства накапливать электроэнергию. Этот подход может существенно способствовать созданию более эффективных суперконденсаторов, предназначенных для портативной электроники и электромобилей.
Существующие устройства часто накапливают энергию для последующего её использования, с батареями, которые являются одними из самых известных примеров. Батареи выделяют энергию постоянным потоком, сохраняя стабильную выходную мощность независимо от условий, пока не будут полностью разряжены.
В отличие от них, суперконденсаторы обеспечивают энергию импульсами, а не непрерывным потоком. Это означает, что они могут быстро накапливать энергию и мгновенно высвобождать её в большом количестве.
Эффективность суперконденсатора зависит от его внутреннего сопротивления, которое довольно высоко. Это позволяет устройству работать с очень высокими токами, практически при коротком замыкании. Такая система полезна, когда требуется быстрая и мощная зарядка, и применяется в автомобилях, системах аварийного питания и компактных устройствах. Этот явление становится возможным благодаря накоплению энергии через двойной электрический слой (EDL).
Способность любого конденсатора хранить заряд основывается на площади его пластин, расстоянии между ними и типе используемого диэлектрического материала. Благодаря тому, что слой электролита между пластинами суперконденсатора имеет толщину всего в несколько нанометров, а пористое покрытие на электродах увеличивает площадь поверхности, суперконденсаторы могут значительно превосходить традиционные конденсаторы по объемам сохраняемой энергии.
В реальных условиях на двойной электрический слой влияют химические взаимодействия на квантовом уровне. Поэтому для улучшения эффективности электрических устройств необходимо детально изучать свойства этого слоя и факторы, влияющие на него.
В ходе исследования была разработана модель, описывающая двойной электрический слой на границе раздела электрода и раствора электролита с использованием модифицированного уравнения Пуассона-Больцмана. Модель учитывает специфические взаимодействия ионов и окружающих молекул воды, влияние электрического поля на диэлектрические свойства воды и ограниченное пространство для ионов на поверхности электрода. Это позволило детализировать профили дифференциальной электрической ёмкости, определяя, насколько эффективно EDL способен накапливать заряд при изменении напряжения. Чем выше дифференциальная ёмкость, тем больше зарядов может удерживать слой при небольших изменениях напряжения.
Исследование включало водные растворы перхлората натрия (NaClO4) и гексафторфосфата калия (KPF6) в контакте с серебряным электродом. Полученная модель успешно предсказывала структуру двойного электрического слоя, предоставляя данные о ёмкости при различных концентрациях ионного раствора. Важным достижением стало успешное применение модели к смесям изучаемых электролитов, что продемонстрировало её универсальность и пригодность для предсказания поведения сложных электрохимических систем.
«Наши теоретические предсказания точно соответствуют экспериментальным данным, что является важным, так как количественная оценка дифференциальной электрической ёмкости во время экспериментов — сложная задача, требующая тщательных и трудоемких процедур», — отметил ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной физики МИЭМ НИУ ВШЭ и один из авторов статьи Юрий Будков. Эта модель позволит прогнозировать поведение дифференциальной электрической ёмкости в условиях, когда экспериментальные данные получить проблематично или невозможно.
Это исследование является первым в серии, предназначенной для разработки всеобъемлющей теории двойного электрического слоя на границе металл-электролит для реальных систем. В будущем авторы планируют расширить модель, включив в неё системы с более сильными ионно-электродными взаимодействиями, которые встречаются наиболее часто.
«Такая модель сможет учитывать дополнительные факторы, влияющие на работу современных электрохимических устройств. Это важно для создания новых суперконденсаторов, которые могут быть использованы в различных приборах — от портативной электроники до электромобилей», — добавил Будков. Исследование опубликовано в журнале ChemPhysChem.
Источник: iXBT
