我实验室学术委员会主任-华东理工刘洪来教授课题组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“Blessing and Curse: How a Supercapacitor’s Large Capacitance Causes its Slow Charging”近日在Physical Review Letters（《物理评论快报》(DOI:10.1103/PhysRevLett.124.076001)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。
    超级电容器虽已被广泛应用于高功率密度需求的领域，但本身具有的多孔结构和宏观超级电容器的充电动力学之间的关系并不明了，之前用于研究超级电容器的简化模型的理论充电时间与实验结果之间存在5个数量级的显著差距，这严重阻碍了新型超级电容器的发展。针对此问题，研究团队提出了一个用于解释超级电容器充电动力学的堆叠电极模型，并考察了电势随时间变化、电压对充电机理的影响和其适用性，得出结论：该模型预测的充电时间尺度与实际超级电容器仅有一个数量级的差距。此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。

附图：超级电容器示意图；多孔电极中电势分布随时间图；

图1 (a) 超级电容器示意图，正负多孔电极浸渍在1:1的电解液中，充电电压为2Ψ。(b)使用平行的板表示多孔电极中的孔道，正负多孔电极中分别有n个孔道，孔径为h，电极厚度为H=(n-1)h，充电之前正负离子在孔道以及电解液中的浓度都为ρb，充电开始时(t=0), 正负电极上的充电电压分别为−Ψ 和 +Ψ。(c) 超级电容器等效电路模型。

图 2. (a) 多孔电极中电势分布随时间的变化，(b) 不同电极i={1, 2, 3,4, 5}上的电荷密度随时间的变化，Φ=0.001, κL=100, H/L=1, and n=5. 图中直线为数值结果，点为等效电路模型结果，等效电路模型和数值结果吻合得很好. 孔道数量为n的电极的充电时间尺度τn为：τn/τRC=2+0.75H/LnτRC-1-0.91H/L
其中H为电极厚度，L为正负电极之间的距离，n为电极中孔道的数量，以及RC时间τRC=Lk^-1D, k^-1为电解液的德拜长度，D为离子扩散系数。