Ученые из Московского института электроники и математики (МИЭМ НИУ ВШЭ) и Института химической физики имени Н. Н. Семёнова РАН разработали новую модель двойного электрического слоя, которая учитывает широкий спектр взаимодействий ионов с электродами и предсказывает способность устройства хранить электрический заряд. Эта модель может помочь в разработке более эффективных суперконденсаторов для портативной электроники и электромобилей.
Многие устройства хранят энергию для будущего использования, и батареи являются одними из самых известных примеров. Они могут постоянно высвобождать энергию, поддерживая постоянную выходную мощность независимо от существующих условий или нагрузки, пока полностью не разрядятся.
Напротив, суперконденсаторы подают энергию импульсами, а не непрерывным потоком. Это означает, что суперконденсатор может накапливать энергию в течение короткого времени и мгновенно высвобождать её в большом объеме.
Мощность суперконденсатора зависит от его внутреннего сопротивления, которое весьма велико. Это позволяет устройству работать с очень высокими токами, почти как при коротком замыкании. Такая система полезна, когда требуется быстрая и мощная зарядка, и используется в автомобилях, системах аварийного питания и компактных устройствах. Этот эффект становится возможным благодаря накоплению энергии в суперконденсаторе через двойной электрический слой (EDL).
Способность любого конденсатора хранить заряд определяется площадью его пластин, расстоянием между ними и типом используемого диэлектрического материала. Поскольку слой электролита между пластинами суперконденсатора имеет толщину всего несколько нанометров, а пористое покрытие на электродах обеспечивает большую площадь поверхности, суперконденсаторы могут значительно превосходить традиционные конденсаторы по объёму запасаемой энергии.
В реальных условиях на двойной электрический слой влияют химические взаимодействия, происходящие на квантовом уровне. Поэтому для повышения эффективности электрических устройств необходимо изучать как свойства двойного электрического слоя, так и факторы, которые на него влияют.
Учёные разработали модель, описывающую двойной электрический слой на границе раздела электрода и раствора электролита, используя для расчётов модифицированное уравнение Пуассона-Больцмана.
Модель учитывает специфические взаимодействия между ионами и с окружающими молекулами воды, влияние электрического поля на диэлектрические свойства воды и ограниченное пространство, доступное для ионов на поверхности электрода. Это позволило подробно описать профили дифференциальной электрической ёмкости, измеряя, насколько эффективно EDL может накапливать заряд при изменении напряжения. Чем выше дифференциальная ёмкость, тем больше заряда может удерживать слой при небольших изменениях напряжения.
В исследовании изучались водные растворы перхлората натрия (NaClO4) и гексафторфосфата калия (KPF6) на границе с серебряным электродом. Полученная модель успешно предсказала структуру двойного электрического слоя, что дало представление о ёмкости при различных концентрациях ионного раствора. Важным достижением стало успешное применение модели к смесям указанных электролитов, что продемонстрировало её универсальность и пригодность для прогнозирования поведения сложных электрохимических систем.
«Наши теоретические предсказания идеально совпадают с экспериментальными данными. Это важно, поскольку количественная оценка дифференциальной электрической ёмкости в ходе эксперимента — нетривиальная задача, требующая кропотливых и трудоемких процедур», — прокомментировал 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 получение экспериментальных данных затруднено или невозможно.
Это первое исследование из серии, направленных на разработку всеобъемлющей теории двойного электрического слоя на границе раздела металл-электролит в отношении реальных систем. В будущем авторы планируют расширить модель, включив в неё системы с более сильными ионно-электродными взаимодействиями, которые являются наиболее распространёнными.
«Такая модель сможет учитывать дополнительные факторы, влияющие на работу современных электрохимических устройств. Это важно для разработки новых суперконденсаторов, которые могут быть использованы в различных устройствах — от портативной электроники до электромобилей », — добавил Будков. Исследование опубликовано в журнале ChemPhysChem.