超級電容器是一種電能存儲設(shè)備，碳電極中含有大量納米級孔道，并被可移動離子流體所充滿。當(dāng)超級電容器沖放電時，這些可移動離子會根據(jù)其電荷性質(zhì)靠近或遠(yuǎn)離碳孔道壁面。離子進(jìn)出孔道及在孔道壁面附近重排所需的時間尺度決定了超級電容器的功率密度。然而，實驗測量的充放電時間尺度與現(xiàn)有理論預(yù)測結(jié)果之間存在很大差距。

近日，華東理工大學(xué)劉洪來教授團(tuán)隊與荷蘭烏特勒支大學(xué)理論物理研究所合作，提出了一種簡單的多孔電極模型，該模型在可計算范圍內(nèi)重現(xiàn)了超級電容器充電過程中的顯著特征。研究論文近日在Physical Review Letters（《物理評論快報》）上發(fā)表，并入選了Editors’ Suggestion，同時被Physics（《物理》）雜志作為同期亮點評述。

大量超級電容器采用了碳基多孔電極材料，但電極材料的孔道結(jié)構(gòu)與超級電容器的宏觀充電動力學(xué)之間的關(guān)系并不明了。多孔結(jié)構(gòu)帶來的高比表面積使得超級電容器無需高電壓即可存儲大量電荷，但高表面積來源于材料內(nèi)部存在豐富而復(fù)雜聯(lián)通的微小孔道，這使得離子在材料內(nèi)部的遷移距離顯著增加，宏觀上就表現(xiàn)為充電時間延長。之前用于描述超級電容器性能的理論模型大多基于單孔結(jié)構(gòu)模型或忽略了孔道結(jié)構(gòu)的平板結(jié)構(gòu)模型，它們不能反映電極材料的高比表面特性和孔道的聯(lián)通性，在此基礎(chǔ)上建立的理論模型往往低估了實際充電時間，理論與實驗結(jié)果之間存在多個數(shù)量級的顯著差異，難以指導(dǎo)超級電容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新型超級電容器的開發(fā)。針對這一問題，研究團(tuán)隊提出了一個用于解釋超級電容器充電動力學(xué)的新模型。將電極結(jié)構(gòu)近似為一系列無限薄的平行板堆疊而成，平行板的間隙即為典型孔的寬度。低電勢下，該模型的充電行為可以用等效電路模型很好地描述。相反，在高電勢下，充電動力學(xué)會減慢并在兩個弛豫時間范圍內(nèi)演變：廣義的RC時間和擴(kuò)散時間。首次發(fā)現(xiàn)，對于多孔電極這兩個時間尺度是類似的。此堆疊電極模型有助于理解多孔電極的充電動力學(xué)，且其預(yù)測結(jié)果與實驗所得多孔電極充電時間尺度一致。此模型成功地彌合了理論預(yù)測結(jié)果和實驗測量的時間尺度之間的巨大差距，并且可以作為擴(kuò)展突破平面對稱性的基礎(chǔ)。但是，要充分了解多孔電極的充電動力學(xué)仍需考慮更多影響因素，包括有限離子尺寸，更真實的孔隙形態(tài)建模，法拉第反應(yīng)，與位置有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)等等。