大力发展电化学储能技术是实现“碳达峰，碳中和”目标的有效途径之一。平面微型超级电容器在能量储能、柔性传感、智能芯片等领域的应用前景广阔、市场潜力巨大。快速、高效和规模化地制作具有良好表面均匀度的微型电极是集成功能型器件的重要基础技术。目前，电沉积法作为构筑平面微型电极的一种电化学方法，具有精度高、易规模化等技术优点。然而，在实际应用过程中影响电沉积效果的因素众多，特别是微电极/电解液界面的沉积动力学过程较为复杂，因此我们有必要关注微型电极/电解液界面电沉积动力学模拟方法及验证手段。


简化模拟与分析微型电极表面的电位分布


本工作基于COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件构建了电沉积模型，模型由微型电极、铂电极和碱性电解质组成（图1a）。为确保在复杂系统中能够尽可能准确地描述电沉积动态过程，该模型参数均取自实际的电化学沉积池，模拟计算的参数也是电沉积过程中的关键物理量，如电位梯度分布、电解质电导率和电极间距。其中，在电化学沉积过程中，电极表面的电位分布至关重要。当溶液中的阳离子开始在微电极表面积聚时（图1b），会发生阳离子的沉积反应。模拟电压为0.9 V时，从两电极和电解质的等电位曲面图中可以看出阳极到阴极电位逐渐减小（图1c）。在相同的施加电压0.9 V、沉积时间300 s的条件下，我们进行了三组对比模拟，以探究电极间距和电解质离子电导率对沉积电位分布的影响。当电极间距为2 cm，电导率为30 S m-1时，浸泡在电解液中的电极表面电位低于暴露在空气中的电极接线部分的表面电位（图1d）；当电极间距缩短到1 cm，电导率保持在30 S m-1时，电极上下两端的电位差变大，浸泡在电解质中的电极表面电位分布不均匀（图1e）；当电极间距增加到2 cm，电导率降低到10 S m-1后，电极表面的电位分布非常均匀（图1f）。因此，确定了较优的电极间距与电导率参数为2 cm，10 S m-1。

图1.(a)双电极电沉积池示意图;(b)电流方向和(c)两电极间电位梯度分布图;基于不同电导率和电极间距的沉积液电导率俯视图和电极表面截面图：(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)响应电流(I)与基于Cottrell方程的过渡时间(τ)的关系，插图为电沉积过程中的电流-时间曲线;(h)微型金集流体电极的塔菲尔曲线和(i)奈奎斯特图，插图为等效电路。


本文内容摘自：东南大学王育乔团队JPCC封面|微型电极/电解液界面电沉积动力学模拟及验证

通讯作者：王育乔，东南大学

作者：朱世璠，许志恒，陈飞达，陶海军，汤晓斌