Модель учитывает широкий спектр взаимодействий ионов с электродами и позволяет предсказывать способность устройства накапливать электрический заряд. Теоретические предсказания модели совпали с результатами экспериментов. Данные о поведении двойного электрического слоя могут помочь в разработке более эффективных суперконденсаторов для портативной электроники и электромобилей.
Двойной электрический слой (ДЭС) — структура, которая образуется на поверхности электродов суперконденсатора, когда они находятся под электрическим напряжением и погружены в раствор электролита. Первый слой ДЭС состоит из ионов на поверхности металлического электрода, удерживаемых там за счет сильных химических сил (слой Гельмгольца), а второй — из ионов электролита, притягиваемых к электродам за счет электростатических сил (диффузный слой) / © пресс-служба НИУ ВШЭ
Исследование опубликовано в журнале ChemPhysChem. Существует множество устройств, которые сохраняют энергию для дальнейшего использования. Один из самых известных примеров — аккумуляторы. Они способны стабильно отдавать энергию, поддерживая одинаковую мощность, независимо от условий или нагрузки, пока не разрядятся.
Суперконденсаторы — это уже источник не постоянной, а импульсной мощности. Если аккумулятор — это банка, куда постепенно складывают энергию, которую потом используют долгое время, то суперконденсатор похож на ведро, которое можно быстро наполнить энергией и так же быстро опустошить. То есть суперконденсатор способен сохранять энергию на короткий срок и моментально отдавать её большим потоком.
Мощность суперконденсатора зависит от внутреннего сопротивления, которое весьма велико. Это позволяет суперконденсатору работать с очень большими токами, почти как при коротком замыкании. Такая система полезна, когда нужно быстро получить мощный заряд, и используется в автомобилях, системах аварийного питания и компактных устройствах. Это возможно благодаря тому, что в суперконденсаторе энергия накапливается с помощью ДЭС.
Способность любого конденсатора накапливать заряд определяется площадью обкладок, расстоянием между ними и типом диэлектрика. Благодаря тому, что слой электролита между пластинами суперконденсатора всего несколько нанометров, а пористое покрытие на электродах позволяет добиться большой площади, суперконденсаторы могут значительно превосходить классические конденсаторы по количеству накопленной энергии.
В реальных условиях на двойной электрический слой влияют химические взаимодействия, происходящие на квантовом уровне. Поэтому важно подробно исследовать свойства ДЭС и влияющие на него факторы, чтобы повысить эффективность электрических устройств.
Ученые МИЭМ НИУ ВШЭ и Института химической физики имени Н. Н. Семёнова создали модель для описания двойного электрического слоя на границе электрод — электролит. Для расчетов использовалось модифицированное уравнение Пуассона — Больцмана. В модели учли специфические взаимодействия между ионами, их окружение молекулами воды, влияние электрического поля на диэлектрические свойства воды и ограниченное пространство для ионов у поверхности электрода. Это позволило подробно описать профили дифференциальной электрической емкости — меры того, насколько эффективно ДЭС может накапливать заряд, когда меняется напряжение. Чем выше дифференциальная емкость, тем больше зарядов может удерживать слой при небольших изменениях напряжения.
В исследовании изучались водные растворы электролитов перхлората натрия (NaClO₄) и гексафторфосфата калия (KPF₆) на границе с серебряным электродом. Полученная модель успешно предсказывала структуру двойного электрического слоя, что позволило прогнозировать поведение емкости при различных концентрациях ионных растворов. Важным достижением стало успешное применение модели к смесям упомянутых электролитов, что демонстрирует ее универсальность и пригодность для предсказания поведения сложных электрохимических систем.
«Теоретические предсказания точно совпали с экспериментальными данными. Это важно, поскольку количественно измерить дифференциальную электрическую емкость в ходе эксперимента не так тривиально и требует тонких времязатратных экспериментов, — комментирует один из авторов статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной физики МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. — Модель же позволит предсказывать поведение дифференциальной электрической емкости в условиях, когда экспериментальные данные получить сложно или невозможно».
Это первая работа в серии исследований, направленных на создание комплексной теории двойного электрического слоя на границе металл — электролит применительно к реальным системам. В будущем авторы планируют расширить модель, чтобы охватить системы с более сильными взаимодействиями ионов с электродами, которые встречаются чаще всего.
«Такая модель сможет учитывать больше факторов, влияющих на работу современных электрохимических устройств. Это важно для разработки новых суперконденсаторов, которые смогут использоваться в различных устройствах — от портативной электроники до электромобилей», — считает Юрий Будков.
