科学家发现增强超级电容器电容的方法

互联网
2023-05-26 01:30:16

超级电容器类似于可充电电池，但与后者不同，它不适用于长时间供电。相反，它擅长提供短暂而强大的能量爆发。超级电容器通常用作各种应用中的备用电源，包括智能手机、汽车和紧凑型电子设备。例如，在DVR(数字视频录像机)中，超级电容器用于维持充电，以确保在车辆熄火或主电源丢失时完成和保存视频记录。

超级电容器的磨损减少，平均使用寿命比电池长 10 到 40 年。此外，超级电容器在-65°C至+<>°C的宽温度范围内表现出卓越的功效，是锂离子电池工作范围的两倍。

(资料图片)

超级电容器由浸没在电解质中的金属电极组成，电解质是含有自由带电粒子(阳离子和阴离子)的液体溶液。电解质的一个例子是食盐;当溶解在水中时，它会解离成Na和Cl离子。+-

超级电容器中的电荷积聚在液体电解质和电势所连接的电极之间的界面处形成的双电层(EDL)内。第一层对应于电极本身，而第二层包括通过静电吸引力被吸引到电极的电解质离子。

MIEM HSE研究人员设计了一种EDL的数学模型，其中传统的低分子量电解质被基于聚合物的替代品所取代。聚电解质有助于增强电容，即设备可以存储多少电量，因为带电聚合物链比低分子量电解质对电极表现出更有效的吸引力。他们的研究发表在《物理评论E》杂志上。

低分子量电解质包含有机盐、酸和碱，以及自由流动的阳离子和阴离子。聚合物电解质或聚电解质是更复杂的化合物，其中一种类型的离子(如阳离子)在长聚合物链内交联，而另一种类型(阴离子)保持流动性。

新模型首次揭示了当电极的孔过窄(厚度等于或小于1nm)时，由于孔壁施加的静电排斥，电解质的聚合物链无法穿透它们。

“考虑用面和漏勺来类比。如果我们同时服用长面和短面，较短的面更容易通过漏勺。然而，孔越大，越长面滑过的可能性就越大。聚合物链可以比作长面，很难穿过狭窄的孔隙，“研究作者之一，MIEM HSE教授Yury Budkov说。

低分子量电解质不会发生这种现象，因为它们的离子大小通常在0.3至0.4nm之间，使它们能够在1nm大小的孔内轻松移动。

“通过利用聚合物，我们可以增强电容;然而，防止任何潜在的不良反应至关重要。我们已经确定了聚合物有效性能的最佳参数，我们相信有效使用聚电解质可以储存更多的能量，“HSE MIEM初级研究员Nikolai Kalikin解释说。

超级电容器在各个行业都有应用，包括可再生能源、机器人技术，甚至公共交通。例如，某些电动巴士利用超级电容器在停车期间快速充电并迅速前往下一个目的地。

“这篇论文是一个更广泛的研究项目的一部分。我们目前正在开发一种方法，用于对金属和电解质界面的双电层进行数值建模。我们已经建立了理论基础，并计划在未来开发一个程序，使我们能够模拟离子行为并对差分电容进行工程评估，“Budkov评论道。“这将有助于工程师通过更深入地了解双电层中发生的物理和化学过程来开发超级电容器，最终导致创建更强大和更高效的设备。

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