Wissenschaftler entwickeln ein neues Modell einer elektrischen Doppelschicht

Ein neues Modell berücksichtigt ein breites Spektrum an Ionen-Elektroden-Wechselwirkungen und sagt die Fähigkeit eines Geräts voraus, elektrische Ladung zu speichern. Die theoretischen Vorhersagen des Modells stimmen mit den experimentellen Ergebnissen überein. Daten zum Verhalten der elektrischen Doppelschicht (EDL) können bei der Entwicklung effizienterer Superkondensatoren für tragbare Elektronikgeräte und Elektrofahrzeuge hilfreich sein. Der Studie wurde veröffentlicht in ChemPhysChem.

Viele Geräte speichern Energie für die zukünftige Verwendung, wobei Batterien zu den bekanntesten Beispielen gehören. Sie können kontinuierlich Energie abgeben und unabhängig von den aktuellen Bedingungen oder der Last eine konstante Leistungsabgabe aufrechterhalten, bis sie vollständig entladen ist.

Im Gegensatz dazu liefern Superkondensatoren Strom in Impulsen und nicht in einem kontinuierlichen Fluss. Wenn eine Batterie mit einem Glas verglichen werden kann, das nach und nach Energie für den Langzeitgebrauch speichert, dann ist ein Superkondensator wie ein Eimer, der schnell gefüllt und geleert werden kann. Das bedeutet, dass ein Superkondensator Energie für kurze Zeit speichern und in großen Mengen sofort wieder abgeben kann.

Die Leistung eines Superkondensators hängt von seinem Innenwiderstand ab, der besonders hoch ist. Dadurch kann der Superkondensator mit sehr hohen Strömen arbeiten, fast ähnlich einem Kurzschluss. Ein solches System ist hilfreich, wenn eine schnelle und leistungsstarke Ladung benötigt wird und wird in Autos, Notstromsystemen und Kompaktgeräten eingesetzt. Dieser Effekt wird durch die Akkumulation von Energie im Superkondensator durch eine elektrische Doppelschicht (EDL) ermöglicht.

Die Fähigkeit eines Kondensators, Ladung zu speichern, wird durch die Fläche seiner Platten, den Abstand zwischen ihnen und die Art des verwendeten dielektrischen Materials bestimmt. Da die Elektrolytschicht zwischen den Platten eines Superkondensators nur wenige Nanometer dick ist und die poröse Beschichtung der Elektroden eine große Oberfläche bietet, können Superkondensatoren herkömmliche Kondensatoren hinsichtlich der gespeicherten Energie deutlich übertreffen.

Unter realen Bedingungen wird die elektrische Doppelschicht durch chemische Wechselwirkungen auf Quantenebene beeinflusst. Daher ist es wichtig, sowohl die Eigenschaften der elektrischen Doppelschicht als auch die Faktoren, die sie beeinflussen, zu untersuchen, um die Effizienz elektrischer Geräte zu verbessern.

Wissenschaftler am HSE MIEM und am Semenov Research Center of Chemical Physics haben ein Modell zur Beschreibung der elektrischen Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen einer Elektrode und einer Elektrolytlösung entwickelt und für Berechnungen eine modifizierte Poisson-Boltzmann-Gleichung verwendet.

Das Modell berücksichtigt spezifische Wechselwirkungen zwischen Ionen und mit umgebenden Wassermolekülen, den Einfluss eines elektrischen Feldes auf die dielektrischen Eigenschaften von Wasser und den begrenzten Platz, der für Ionen an der Elektrodenoberfläche zur Verfügung steht. Dies ermöglichte eine detaillierte Beschreibung der differentiellen elektrischen Kapazitätsprofile und misste, wie effektiv der EDL Ladung akkumulieren kann, wenn sich die Spannung ändert. Je höher die Differenzkapazität, desto mehr Ladung kann die Schicht bei kleinen Spannungsänderungen halten.

Die Studie untersuchte wässrige Lösungen von Natriumperchlorat (NaClO4) und Kaliumhexafluorphosphat (KPF6) an der Grenzfläche mit einer Silberelektrode. Das resultierende Modell hat die Struktur der elektrischen Doppelschicht erfolgreich vorhergesagt und Einblicke in das Kapazitätsverhalten bei verschiedenen Konzentrationen der Ionenlösung gegeben. Eine wichtige Errungenschaft war die erfolgreiche Anwendung des Modells auf Mischungen der genannten Elektrolyte, was seine Vielseitigkeit und Eignung für die Vorhersage des Verhaltens komplexer elektrochemischer Systeme demonstrierte.

„Unsere theoretischen Vorhersagen stimmen perfekt mit den experimentellen Daten überein. Dies ist wichtig, da die Quantifizierung der differentiellen elektrischen Kapazität während eines Experiments nicht trivial ist und sorgfältige, zeitaufwändige Verfahren erfordert“, kommentiert Yury Budkov, leitender Forschungsstipendiat am Labor für Computerphysik des MIEM HSE und einer der Autoren des Artikels. Dieses Modell ermöglicht die Vorhersage des differentiellen elektrischen Kapazitätsverhaltens unter Bedingungen, unter denen die Gewinnung experimenteller Daten schwierig oder unmöglich ist.

Dies ist die erste einer Reihe von Studien, die darauf abzielen, eine umfassende Theorie der elektrischen Doppelschicht an der Metall-Elektrolyt-Grenzfläche in Bezug auf reale Systeme zu entwickeln. Zukünftig planen die Autoren, das Modell auf Systeme mit stärkeren Ionen-Elektroden-Wechselwirkungen auszudehnen, die am weitesten verbreitet sind.

„Ein solches Modell wird in der Lage sein, zusätzliche Faktoren zu berücksichtigen, die den Betrieb moderner elektrochemischer Geräte beeinflussen. Dies ist wichtig für die Entwicklung neuer Superkondensatoren, die in einer Reihe von Geräten eingesetzt werden können, von tragbaren Elektronikgeräten bis hin zu Elektrofahrzeugen“, sagt Budkov .