《Phys. Rev. Lett》报道刘洪来团队超级电容器充电机理, 入选编辑推荐和亮点评述

超级电容器是一种电能存储设备，碳电极中含有大量纳米级孔道，并被可移动离子流体所充满。当超级电容器冲放电时，这些可移动离子会根据其电荷性质靠近或远离碳孔道壁面。离子进出孔道及在孔道壁面附近重排所需的时间尺度决定了超级电容器的功率密度。然而，实验测量的充放电时间尺度与现有理论预测结果之间存在很大差距。刘洪来教授团队与荷兰乌特勒支大学理论物理研究所合作，提出了一种简单的多孔电极模型，该模型在可计算范围内重现了超级电容器充电过程中的显着特征。研究论文近日在Physical Review Letters（《物理评论快报》）上发表，并入选了Editors’ Suggestion，同时被Physics（《物理》）杂志作为同期亮点评述。

大量超级电容器采用了碳基多孔电极材料，但电极材料的孔道结构与超级电容器的宏观充电动力学之间的关系并不明了。多孔结构带来的高比表面积使得超级电容器无需高电压即可存储大量电荷，但高表面积来源于材料内部存在丰富而复杂联通的微小孔道，这使得离子在材料内部的迁移距离显著增加，宏观上就表现为充电时间延长。之前用于描述超级电容器性能的理论模型大多基于单孔结构模型或忽略了孔道结构的平板结构模型，它们不能反映电极材料的高比表面特性和孔道的联通性，在此基础上建立的理论模型往往低估了实际充电时间，理论与实验结果之间存在多个数量级的显著差异，难以指导超级电容器的结构优化和新型超级电容器的开发。针对这一问题，研究团队提出了一个用于解释超级电容器充电动力学的新模型。将电极结构近似为一系列无限薄的平行板堆叠而成，平行板的间隙即为典型孔的宽度。低电势下，该模型的充电行为可以用等效电路模型很好地描述。相反，在高电势下，充电动力学会减慢并在两个弛豫时间范围内演变：广义的RC时间和扩散时间。首次发现，对于多孔电极这两个时间尺度是类似的。此堆叠电极模型有助于理解多孔电极的充电动力学，且其预测结果与实验所得多孔电极充电时间尺度一致。此模型成功地弥合了理论预测结果和实验测量的时间尺度之间的巨大差距，并且可以作为扩展突破平面对称性的基础。但是，要充分了解多孔电极的充电动力学仍需考虑更多影响因素，包括有限离子尺寸，更真实的孔隙形态建模，法拉第反应，与位置有关的扩散系数等等。