科学家开发出一种新的双电层模型

一种新模型考虑了广泛的离子电极相互作用，并预测了设备存储电荷的能力。该模型的理论预测与实验结果一致。有关电双层 (EDL) 行为的数据可以帮助开发更高效的超级电容器，用于便携式电子产品和电动汽车。这项研究已发表在ChemPhysChem上。

许多设备都会储存能量以备将来使用，电池就是其中最著名的例子之一。它们可以持续释放能量，无论现有条件或负载如何，都能保持稳定的功率输出，直到完全放电。

相比之下，超级电容器以脉冲方式而非连续方式提供电力。如果将电池比作一个逐渐储存能量以供长期使用的罐子，那么超级电容器就像一个可以快速装满和倒空的桶。这意味着超级电容器可以在短时间内储存能量，并立即以大爆发的方式释放能量。

超级电容器的功率取决于其内部电阻，而内部电阻非常高。这使得超级电容器能够在非常高的电流下工作，几乎类似于短路。当需要快速、强大的充电时，这种系统非常有用，并且可用于汽车、应急电源系统和紧凑型设备。这种效果是通过超级电容器中通过电双层 (EDL) 积累能量来实现的。

任何电容器存储电荷的能力都取决于其极板的面积、极板之间的距离以及所用介电材料的类型。由于超级电容器极板之间的电解质层只有几纳米厚，并且电极上的多孔涂层提供了很大的表面积，因此超级电容器在存储能量方面可以大大超越传统电容器。

在现实条件下，电双层受量子水平的化学相互作用的影响。因此，研究电双层的性质及其影响因素对于提高电气设备的效率至关重要。

高等经济学院 MIEM 系和谢苗诺夫化学物理研究中心的科学家开发了一个模型来描述电极和电解质溶液界面处的电双层，使用改进的泊松-玻尔兹曼方程进行计算。

该模型考虑了离子与周围水分子之间的特定相互作用、电场对水介电性能的影响以及电极表面可供离子停留的有限空间。这使得能够详细描述差分电容分布，测量 EDL 在电压变化时积累电荷的效率。差分电容越高，该层在电压变化较小的情况下可以容纳的电荷就越多。

该研究考察了高氯酸钠 (NaClO 4 ) 和六氟磷酸钾 (KPF 6 ) 水溶液与银电极的界面。由此产生的模型成功预测了电双层的结构，为了解不同离子溶液浓度下的电容行为提供了见解。一项重要成就是该模型成功应用于上述电解质的混合物，证明了其多功能性和预测复杂电化学系统行为的适用性。

“我们的理论预测与实验数据完全吻合。这一点很重要，因为在实验过程中量化差分电容并非易事，需要细致、耗时的程序，”MIEM HSE 计算物理实验室首席研究员、论文作者之一 Yury Budkov 评论道。该模型将能够在难以或无法获得实验数据的情况下预测差分电容行为。

这是一系列研究中的第一篇，旨在开发与现实系统相关的金属-电解质界面电双层的综合理论。未来，作者计划扩展该模型，以涵盖离子-电极相互作用更强的系统，这是最常见的系统。

“这种模型将能够解释影响现代电化学装置运行的其他因素。这对于开发可用于从便携式电子设备到电动汽车等一系列设备的新型超级电容器非常重要，”Budkov 说。

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