Российские учёные представили новую модель двойного электрического слоя для суперконденсаторов

Разработка поможет повысить эффективность накопления заряда в устройствах, используемых в электронике и электромобилях.

Учёные разработали новую модель, которая позволяет лучше понять механизм работы двойного электрического слоя (EDL) в суперконденсаторах и предсказывать их способность накапливать заряд. Эта модель согласуется с экспериментальными данными и поможет усовершенствовать суперконденсаторы, которые играют ключевую роль в портативной электронике и электромобилях.

Источник изображения сгенерировано нейросетью Midjourney

Если батарею можно представить как ёмкость, которая медленно накапливает энергию, то суперконденсатор — это сосуд, который можно быстро наполнить и мгновенно разрядить. Суперконденсаторы работают с очень высокими токами, что делает их особенно полезными в ситуациях, требующих мгновенной и мощной отдачи энергии.

Новая модель, разработанная исследователями из МИЭМ НИУ ВШЭ и Научно-исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова, углубляет наше понимание двойного электрического слоя на границе между электродом и раствором электролита. Модель уточняет классическое модифицированное уравнение Пуассона-Больцмана, учитывая сложные взаимодействия между ионами и молекулами воды, влияние электрических полей на структуру воды, а также пространственные ограничения движения ионов на поверхности электрода. Эти усовершенствования позволяют точнее описывать, как EDL сохраняет заряд в различных условиях, с особым акцентом на дифференциальную ёмкость — способность EDL сохранять заряд при небольших изменениях напряжения.

Используя водные растворы перхлората натрия и гексафторфосфата калия с серебряным электродом, исследователи подтвердили, что предсказания их модели полностью соответствуют экспериментальным данным. Модель может применяться не только к простым, но и к сложным электролитным системам, демонстрируя универсальность при работе с различными типами электролитов.

Этот прорыв откроет путь к разработке более эффективных суперконденсаторов, которые будут иметь решающее значение для повышения производительности современных технологий, таких как электромобили и портативная электроника, за счёт оптимизации способов накопления и высвобождения энергии. Исследование также создаст основу для разработки более сложных моделей, учитывающих ещё более сильные взаимодействия ионов с электродами, что актуально для реальных устройств.