Les scientifiques développent un nouveau modèle de double couche électrique

Un nouveau modèle prend en compte un large éventail d’interactions ions-électrodes et prédit la capacité d’un appareil à stocker une charge électrique. Les prédictions théoriques du modèle correspondent aux résultats expérimentaux. Les données sur le comportement de la double couche électrique (EDL) peuvent contribuer au développement de supercondensateurs plus efficaces pour l’électronique portable et les véhicules électriques. Le étude a été publié dans ChemPhysChem.

De nombreux appareils stockent de l’énergie pour une utilisation future, les batteries étant parmi les exemples les plus connus. Ils peuvent libérer de l’énergie de manière constante, maintenant une puissance de sortie constante quelles que soient les conditions ou la charge existantes, jusqu’à ce qu’ils soient complètement déchargés.

En revanche, les supercondensateurs fournissent de l’énergie sous forme d’impulsions plutôt que sous forme de flux continu. Si une batterie peut être assimilée à un pot qui stocke progressivement de l’énergie pour une utilisation à long terme, alors un supercondensateur est comme un seau qui peut être rempli et vidé rapidement. Cela signifie qu’un supercondensateur peut stocker de l’énergie pendant une courte durée et la restituer instantanément en une grande rafale.

La puissance d’un supercondensateur dépend de sa résistance interne, qui est particulièrement élevée. Cela permet au supercondensateur de fonctionner avec des courants très élevés, presque similaires à un court-circuit. Un tel système est utile lorsqu’une charge rapide et puissante est nécessaire et est utilisé dans les voitures, les systèmes d’alimentation de secours et les appareils compacts. Cet effet est rendu possible par l’accumulation d’énergie dans le supercondensateur à travers une double couche électrique (EDL).

La capacité de tout condensateur à stocker des charges est déterminée par la superficie de ses plaques, la distance qui les sépare et le type de matériau diélectrique utilisé. Étant donné que la couche d’électrolyte entre les plaques d’un supercondensateur n’a que quelques nanomètres d’épaisseur et que le revêtement poreux des électrodes offre une grande surface, les supercondensateurs peuvent largement surpasser les condensateurs traditionnels en termes d’énergie stockée.

Dans des conditions réelles, la double couche électrique est influencée par les interactions chimiques se produisant au niveau quantique. Il est donc essentiel d’étudier à la fois les propriétés de la double couche électrique et les facteurs qui l’influencent pour améliorer l’efficacité des appareils électriques.

Des scientifiques du HSE MIEM et du Centre de recherche Semenov en physique chimique ont développé un modèle pour décrire la double couche électrique à l’interface entre une électrode et une solution électrolytique, en utilisant une équation de Poisson-Boltzmann modifiée pour les calculs.

Le modèle prend en compte les interactions spécifiques entre les ions et avec les molécules d’eau environnantes, l’impact d’un champ électrique sur les propriétés diélectriques de l’eau et l’espace limité disponible pour les ions à la surface de l’électrode. Cela a permis une description détaillée des profils de capacité électrique différentielle, mesurant l’efficacité avec laquelle l’EDL peut accumuler des charges lorsque la tension change. Plus la capacité différentielle est élevée, plus la couche peut contenir de charge avec de petits changements de tension.

L’étude a examiné des solutions aqueuses de perchlorate de sodium (NaClO4) et d’hexafluorophosphate de potassium (KPF6) à l’interface avec une électrode d’argent. Le modèle résultant a prédit avec succès la structure de la double couche électrique, fournissant ainsi un aperçu du comportement de la capacité à diverses concentrations de solution ionique. Une réalisation importante a été l’application réussie du modèle aux mélanges desdits électrolytes, démontrant sa polyvalence et son aptitude à prédire le comportement de systèmes électrochimiques complexes.

« Nos prédictions théoriques correspondent parfaitement aux données expérimentales. Ceci est important car la quantification de la capacité électrique différentielle au cours d’une expérience n’est pas triviale et nécessite des procédures méticuleuses et longues », commente Yury Budkov, chercheur principal au Laboratoire de physique computationnelle du MIEM HSE. et l’un des auteurs de l’article. Ce modèle permettra de prédire le comportement différentiel de la capacité électrique dans des conditions où l’obtention de données expérimentales est difficile, voire impossible.

Il s’agit de la première d’une série d’études visant à développer une théorie complète de la double couche électrique à l’interface métal-électrolyte en ce qui concerne les systèmes du monde réel. À l’avenir, les auteurs prévoient d’étendre le modèle pour inclure les systèmes présentant des interactions ions-électrodes plus fortes, qui sont les plus répandues.

« Un tel modèle pourra prendre en compte des facteurs supplémentaires qui influencent le fonctionnement des appareils électrochimiques modernes. Ceci est important pour le développement de nouveaux supercondensateurs pouvant être utilisés dans une gamme d’appareils, de l’électronique portable aux véhicules électriques », explique Budkov. .