2024-06-10 19:44 来源：本站编辑
现代生活依赖于电力和电子设备，从汽车和公共汽车到电话和笔记本电脑，再到家庭电气系统。在这些设备的背后是一种能量存储设备，超级电容器。我的工程师团队正在研究这些超级电容器如何在纳米尺度上储存能量，从而使它们在储存能量方面做得更好。
超级电容器和电池一样，都是能量存储设备。它们的充电速度比电池快，通常在几秒钟到一分钟内，但通常储存的能量较少。它们被用于需要在短时间内存储或提供突发能量的设备中。在你的汽车和电梯里，它们可以在刹车减速时帮助回收能量。它们有助于满足笔记本电脑和相机波动的能源需求，并稳定电网的能源负荷。
电池是通过化学物质产生或产生电子的反应来工作的。相比之下，超级电容器不依赖于反应，有点像充电海绵。当你把海绵浸入水中时，它会吸收水分，因为海绵是多孔的——它含有可以吸收水分的空孔。最好的超级电容器每单位体积吸收的电荷最多，这意味着它们在不占用太多空间的情况下具有很高的能量存储能力。
在2024年5月发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，我的学生菲利普·恩里克、合作者帕维尔·祖克和我描述了离子如何在纳米孔网络中移动，或者只有纳米宽的微小孔。这项研究有一天可能会提高超级电容器的储能能力。
科学家们可以通过在纳米尺度上使材料表面多孔来增加材料的电容或储存电荷的能力。纳米多孔材料的表面积高达20,000平方米(215,278平方英尺)，相当于大约四个足球场，而重量仅为10克(三分之一盎司)。
在过去的20年里，研究人员一直在研究如何控制这种多孔结构和离子(一种微小的带电粒子)在材料中的流动。了解离子的流动可以帮助研究人员控制超级电容器充电和释放能量的速率。
但研究人员仍然不知道离子是如何进出多孔材料的。
多孔材料片上的每个孔都是一个充满正离子和负离子的小孔。孔的开口连接着正离子和负离子的储存库。这些离子来自电解质，一种导电流体。
例如，如果你把盐放入水中，每个盐分子会分离成一个带正电的钠离子和一个带负电的氯离子。
当孔表面带电时，离子从储层流入孔内，反之亦然。如果表面带正电，负离子从储层流入孔内，带正电的离子被排斥离开孔内。这种流动形成电容器，使电荷保持在适当的位置并储存能量。当表面电荷放电时，离子反向流动，释放能量。
现在，想象一个毛孔分成两个不同的分支毛孔。离子是如何从主孔流向这些分支的?
把离子想象成汽车，把毛孔想象成道路。一条道路上的交通流量是直接的。但是在十字路口，你需要规则来防止事故或交通堵塞，所以我们有红绿灯和环形交叉路口。然而，科学家们并没有完全理解离子通过结所遵循的规则。弄清楚这些规则可以帮助研究人员了解超级电容器如何充电。
工程师通常使用一套被称为“基尔霍夫定律”的物理定律来确定电流在连接点上的分布。然而，基尔霍夫电路定律是为电子输运而不是离子输运而导出的。
电子只有在有电场的情况下才会移动，但离子可以在没有电场的情况下通过扩散移动。同样，一小撮盐慢慢地溶解在一杯水中，离子从浓度较高的区域移动到浓度较低的区域。
基尔霍夫定律就像电路结的计算原理。第一定律说进入结点的电流必须等于离开结点的电流。第二定律指出，电压，即推动电子通过电流的压力，不会在一个结上突然改变。否则，它会产生额外的电流，破坏平衡。
由于离子也通过扩散运动，而不仅仅是通过电场，我的团队修改了基尔霍夫定律以适应离子电流。我们用电化学电压φ代替电压V，它结合了电压和扩散。这种修改使我们能够分析孔隙网络，这在以前是不可能的。
我们使用修正的基尔霍夫定律来模拟和预测离子如何通过一个大的纳米孔网络。
我们的研究发现，将电流从孔中分离到结中可以减缓带电离子流入材料的速度。但这取决于分裂在哪里。这些孔隙在材料中的排列方式也会影响充电速度。
这项研究为了解超级电容器的材料和开发更好的材料打开了新的大门。
例如，我们的模型可以帮助科学家模拟不同的孔隙网络，看看哪个最符合他们的实验数据，并优化他们在超级电容器中使用的材料。
虽然我们的工作主要集中在简单的网络上，但研究人员可以将这种方法应用于更大、更复杂的网络，以更好地了解材料的多孔结构如何影响其性能。
未来，超级电容器可能由可生物降解的材料制成，为柔性可穿戴设备供电，并可能通过3D打印进行定制。了解离子流动是改进超级电容器以实现更快电子产品的关键一步。
期刊信息: 《国家议事录美国科学院 公司提供 nversation
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