Исследователи из Московского института электроники и математики им. А. Н. Тихонова Высшей школы экономики разработали единую теоретическую модель, описывающую структуру двойного электрического слоя. Этот слой формируется на границе металлического электрода и жидкого электролита в аккумуляторах, суперконденсаторах и катализаторах.

Двойной электрический слой представляет собой область у поверхности электрода, где ионы из раствора выстраиваются и накапливают электрический заряд. От его свойств напрямую зависят ключевые характеристики устройств: ёмкость, скорость заряда и разряда, а также эффективность электрохимических реакций. Ранее для теоретического описания этого слоя приходилось комбинировать несколько моделей, каждая из которых учитывала отдельные физические эффекты.

Новая модель объединяет описание двух важнейших процессов. Первый процесс — специфическая адсорбция, при которой ионы за счёт химических взаимодействий прочно «прилипают» к поверхности металла. Второй процесс — частичный перенос заряда, когда ион и электрод обмениваются определённой долей электронного заряда. Ранее эти явления рассматривались раздельно.

Для построения модели учёные с помощью квантово-химических расчётов и компьютерного моделирования изучили поведение ионов вблизи металлической поверхности. Были определены параметры, такие как типичное расстояние до поверхности, сила притяжения и степень переноса заряда. Эти данные были интегрированы в общую систему уравнений, описывающую весь двойной слой.

Модель была протестирована на системах с серебряным электродом и растворами солей, включая гексафторфосфат калия и фторид натрия. Она корректно воспроизвела экспериментальные данные по ёмкости и корректно описала поведение смеси солей, где один тип ионов активно адсорбируется, а другой — нет. В дальнейшем исследователи планируют адаптировать модель для систем с более выраженными эффектами, таких как электрокаталитические процессы, чтобы использовать её при проектировании новых электрохимических устройств.