Ученые разработали новую модель двойного электрического слоя

Новая модель учитывает широкий спектр ионно-электродных взаимодействий и предсказывает способность устройства накапливать электрический заряд. Теоретические предсказания модели совпадают с экспериментальными результатами. Данные о поведении двойного электрического слоя (EDS) могут помочь в разработке более эффективных суперконденсаторов для портативной электроники и электромобилей. Исследование опубликовано в ХимияФизикаХим.

Многие устройства хранят энергию для будущего использования, наиболее известным примером являются батареи. Они могут последовательно высвобождать энергию, поддерживая стабильную выходную мощность независимо от существующих условий или нагрузки до полной разрядки.

Напротив, суперконденсаторы передают мощность импульсами, а не непрерывным потоком. Если батарею можно сравнить с банкой, которая постепенно накапливает энергию для длительного использования, то суперконденсатор — это ведро, которое можно быстро наполнять и опорожнять. Это означает, что суперконденсатор может хранить энергию в течение короткого времени и мгновенно высвобождать ее большим всплеском.

Мощность суперконденсатора зависит от его внутреннего сопротивления, которое весьма велико. Это позволяет суперконденсатору работать с очень большими токами, почти аналогично короткому замыканию. Такая система полезна, когда требуется быстрая и мощная зарядка, и ее используют в автомобилях, системах аварийного электропитания и компактных устройствах. Этот эффект становится возможным благодаря накоплению энергии в суперконденсаторе через двойной электрический слой (ДЭС).

Способность любого конденсатора сохранять заряд определяется площадью его обкладок, расстоянием между ними и типом используемого диэлектрического материала. Поскольку слой электролита между обкладками суперконденсатора имеет толщину всего несколько нанометров, а пористое покрытие на электродах обеспечивает большую площадь поверхности, суперконденсаторы могут существенно превосходить традиционные конденсаторы по запасу энергии.

В реальных условиях на двойной электрический слой влияют химические взаимодействия, происходящие на квантовом уровне. Поэтому для повышения эффективности электрических устройств крайне важно изучать как свойства двойного электрического слоя, так и факторы, влияющие на него.

Ученые МИЭМ НИУ ВШЭ и НИЦ химической физики имени С.П. Семенова разработали модель, описывающую двойной электрический слой на границе раздела электрод-раствор электролита, используя для расчетов модифицированное уравнение Пуассона-Больцмана.

Модель учитывает специфические взаимодействия между ионами и 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 емкости и измерить, насколько эффективно EDL может накапливать заряд при изменении напряжения. Чем выше дифференциальная емкость, тем больше заряда может удерживать слой при небольших изменениях напряжения.

В ходе исследования были изучены водные растворы перхлората натрия (NaClO₄) и гексафторфосфат калия (КПФ₆) на границе раздела с серебряным электродом. Полученная модель успешно предсказала структуру двойного электрического слоя, предоставив представление о поведении емкости при различных концентрациях ионного раствора. Важным достижением стало успешное применение модели к смесям указанных электролитов, продемонстрировавшее ее универсальность и пригодность для прогнозирования поведения сложных электрохимических систем.

«Наши теоретические прогнозы идеально совпадают с экспериментальными данными. Это важно, поскольку количественная оценка дифференциальной электрической емкости в ходе эксперимента нетривиальна и требует кропотливых и трудоемких процедур», — комментирует Юрий Будков, ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной физики МИЭМ ВШЭ. и один из авторов статьи. Эта модель позволит прогнозировать поведение дифференциальной электрической емкости в условиях, когда получение экспериментальных данных затруднено или невозможно.

Это первое из серии исследований, направленных на разработку комплексной теории двойного электрического слоя на границе раздела металл-электролит применительно к реальным системам. В будущем авторы планируют расширить модель, включив в нее системы с более сильными ион-электродными взаимодействиями, которые являются наиболее распространенными.

«Такая модель сможет учитывать дополнительные факторы, влияющие на работу современных электрохимических устройств. Это важно для разработки новых суперконденсаторов, которые можно будет использовать в самых разных устройствах — от портативной электроники до электромобилей», — говорит Будков. .