大力發展電化學儲能技術是實現“碳達峰，碳中和”目標的有效途徑之一。平面微型超級電容器在能量儲能、柔性傳感、智能芯片等領域的應用前景廣闊、市場潛力巨大?？焖?、高效和規?；刂谱骶哂辛己帽砻婢鶆蚨鹊?a href="http://www.lettao.net/" target="_blank">微型電極是集成功能型器件的重要基礎技術。目前，電沉積法作為構筑平面微型電極的一種電化學方法，具有精度高、易規?；燃夹g優點。然而，在實際應用過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力學過程較為復雜，因此我們有必要關注微型電極/電解液界面電沉積動力學模擬方法及驗證手段。


簡化模擬與分析微型電極表面的電位分布


本工作基于COMSOL Multiphysics多物理場模擬軟件構建了電沉積模型，模型由微型電極、鉑電極和堿性電解質組成（圖1a）。為確保在復雜系統中能夠盡可能準確地描述電沉積動態過程，該模型參數均取自實際的電化學沉積池，模擬計算的參數也是電沉積過程中的關鍵物理量，如電位梯度分布、電解質電導率和電極間距。其中，在電化學沉積過程中，電極表面的電位分布至關重要。當溶液中的陽離子開始在微電極表面積聚時（圖1b），會發生陽離子的沉積反應。模擬電壓為0.9 V時，從兩電極和電解質的等電位曲面圖中可以看出陽極到陰極電位逐漸減?。▓D1c）。在相同的施加電壓0.9 V、沉積時間300 s的條件下，我們進行了三組對比模擬，以探究電極間距和電解質離子電導率對沉積電位分布的影響。當電極間距為2 cm，電導率為30 S m-1時，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）；當電極間距縮短到1 cm，電導率保持在30 S m-1時，電極上下兩端的電位差變大，浸泡在電解質中的電極表面電位分布不均勻（圖1e）；當電極間距增加到2 cm，電導率降低到10 S m-1后，電極表面的電位分布非常均勻（圖1f）。因此，確定了較優的電極間距與電導率參數為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;基于不同電導率和電極間距的沉積液電導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)響應電流(I)與基于Cottrell方程的過渡時間(τ)的關系，插圖為電沉積過程中的電流-時間曲線;(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。


本文內容摘自：東南大學王育喬團隊JPCC封面|微型電極/電解液界面電沉積動力學模擬及驗證

通訊作者：王育喬，東南大學

作者：朱世璠，許志恒，陳飛達，陶海軍，湯曉斌