超級(jí)電容器是一種電能存儲(chǔ)設(shè)備，碳電極中含有大量納米級(jí)孔道，并被可移動(dòng)離子流體所充滿(mǎn)。當(dāng)超級(jí)電容器沖放電時(shí)，這些可移動(dòng)離子會(huì)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(shí)間尺度決定了超級(jí)電容器的功率密度。然而，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的充放電時(shí)間尺度與現(xiàn)有理論預(yù)測(cè)結(jié)果之間存在很大差距。

近日，華東理工大學(xué)劉洪來(lái)教授團(tuán)隊(duì)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(jiǎn)單的多孔電極模型，該模型在可計(jì)算范圍內(nèi)重現(xiàn)了超級(jí)電容器充電過(guò)程中的顯著特征。研究論文近日在Physical Review Letters（《物理評(píng)論快報(bào)》）上發(fā)表，并入選了Editors’ Suggestion，同時(shí)被Physics（《物理》）雜志作為同期亮點(diǎn)評(píng)述。

大量超級(jí)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(jí)電容器的宏觀(guān)充電動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系并不明了。多孔結(jié)構(gòu)帶來(lái)的高比表面積使得超級(jí)電容器無(wú)需高電壓即可存儲(chǔ)大量電荷，但高表面積來(lái)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(guān)上就表現(xiàn)為充電時(shí)間延長(zhǎng)。之前用于描述超級(jí)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(shí)際充電時(shí)間，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在多個(gè)數(shù)量級(jí)的顯著差異，難以指導(dǎo)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新型超級(jí)電容器的開(kāi)發(fā)。針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)用于解釋超級(jí)電容器充電動(dòng)力學(xué)的新模型。將電極結(jié)構(gòu)近似為一系列無(wú)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(shì)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(shì)下，充電動(dòng)力學(xué)會(huì)減慢并在兩個(gè)弛豫時(shí)間范圍內(nèi)演變：廣義的RC時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間。首次發(fā)現(xiàn)，對(duì)于多孔電極這兩個(gè)時(shí)間尺度是類(lèi)似的。此堆疊電極模型有助于理解多孔電極的充電動(dòng)力學(xué)，且其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得多孔電極充電時(shí)間尺度一致。此模型成功地彌合了理論預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的時(shí)間尺度之間的巨大差距，并且可以作為擴(kuò)展突破平面對(duì)稱(chēng)性的基礎(chǔ)。但是，要充分了解多孔電極的充電動(dòng)力學(xué)仍需考慮更多影響因素，包括有限離子尺寸，更真實(shí)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。