大力發(fā)展電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的有效途徑之一。平面微型超級(jí)電容器在能量?jī)?chǔ)能、柔性傳感、智能芯片等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊、市場(chǎng)潛力巨大?？焖?、高效和規(guī)模化地制作具有良好表面均勻度的微型電極是集成功能型器件的重要基礎(chǔ)技術(shù)。目前，電沉積法作為構(gòu)筑平面微型電極的一種電化學(xué)方法，具有精度高、易規(guī)?；燃夹g(shù)優(yōu)點(diǎn)。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中影響電沉積效果的因素眾多，特別是微電極/電解液界面的沉積動(dòng)力學(xué)過(guò)程較為復(fù)雜，因此我們有必要關(guān)注微型電極/電解液界面電沉積動(dòng)力學(xué)模擬方法及驗(yàn)證手段。

簡(jiǎn)化模擬與分析微型電極表面的電位分布

本工作基于COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)模擬軟件構(gòu)建了電沉積模型，模型由微型電極、鉑電極和堿性電解質(zhì)組成（圖1a）。為確保在復(fù)雜系統(tǒng)中能夠盡可能準(zhǔn)確地描述電沉積動(dòng)態(tài)過(guò)程，該模型參數(shù)均取自實(shí)際的電化學(xué)沉積池，模擬計(jì)算的參數(shù)也是電沉積過(guò)程中的關(guān)鍵物理量，如電位梯度分布、電解質(zhì)電導(dǎo)率和電極間距。其中，在電化學(xué)沉積過(guò)程中，電極表面的電位分布至關(guān)重要。當(dāng)溶液中的陽(yáng)離子開(kāi)始在微電極表面積聚時(shí)（圖1b），會(huì)發(fā)生陽(yáng)離子的沉積反應(yīng)。模擬電壓為0.9 V時(shí)，從兩電極和電解質(zhì)的等電位曲面圖中可以看出陽(yáng)極到陰極電位逐漸減?。▓D1c）。在相同的施加電壓0.9 V、沉積時(shí)間300 s的條件下，我們進(jìn)行了三組對(duì)比模擬，以探究電極間距和電解質(zhì)離子電導(dǎo)率對(duì)沉積電位分布的影響。當(dāng)電極間距為2 cm，電導(dǎo)率為30 S m-1時(shí)，浸泡在電解液中的電極表面電位低于暴露在空氣中的電極接線部分的表面電位（圖1d）；當(dāng)電極間距縮短到1 cm，電導(dǎo)率保持在30 S m-1時(shí)，電極上下兩端的電位差變大，浸泡在電解質(zhì)中的電極表面電位分布不均勻（圖1e）；當(dāng)電極間距增加到2 cm，電導(dǎo)率降低到10 S m-1后，電極表面的電位分布非常均勻（圖1f）。因此，確定了較優(yōu)的電極間距與電導(dǎo)率參數(shù)為2 cm，10 S m-1。

圖1.(a)雙電極電沉積池示意圖;(b)電流方向和(c)兩電極間電位梯度分布圖;基于不同電導(dǎo)率和電極間距的沉積液電導(dǎo)率俯視圖和電極表面截面圖：(d)30 S m-1和2 cm，(e)30 S m-1和1 cm，(f)10 S m-1和2 cm。(g)響應(yīng)電流(I)與基于Cottrell方程的過(guò)渡時(shí)間(τ)的關(guān)系，插圖為電沉積過(guò)程中的電流-時(shí)間曲線;(h)微型金集流體電極的塔菲爾曲線和(i)奈奎斯特圖，插圖為等效電路。

本文內(nèi)容摘自：東南大學(xué)王育喬團(tuán)隊(duì)JPCC封面|微型電極/電解液界面電沉積動(dòng)力學(xué)模擬及驗(yàn)證

通訊作者：王育喬，東南大學(xué)

作者：朱世璠，許志恒，陳飛達(dá)，陶海軍，湯曉斌