双电层在电化学器件中广泛存在。在电化学器件的充放电中，双电层形成/释放，由于分子离子相互作用，这一过程不可避免产生热量；且随着电化学技术朝着更高充电速率发展，产热会进一步增强，可能影响电化学器件的性能、循环寿命和安全性。因此，双电层产热机理的理解对电化学器件的发展至关重要。
对于慢充过程，产热主要发生在双电层区域（电解液体相区域产热可忽略）。热力学模型将此类过程视为准静态过程，并将产热归因于双电层中离子有序度的增加。近期工作通过在热力学模型中引入溶剂效应，证明了电极吸附水的结构决定了水系电解液系统双电层形成过程中的产热。然而在实际充电通常为快充过程，显著偏离准静态条件，此时的产热无法通过热力学模型描述，必须借助动力学模型。现有动力学模型通过离子电流与电场的点积（或离子通量与电化学势梯度）描述产热，从而能够在任意充电速度下预测产热在器件内的时空分布。这些动力学模型结果表明，产热同时发生在电解液体相和双电层区域：在电解液体相中，电场与电流均匀分布并遵循欧姆定律，因此产热归因于焦耳热；在双电层区域，无论是正极还是负极，界面电场的增强都会引起同方向的离子电流，从而导致放热。然而，针对碳电极–水系电解液体系的量热实验发现，虽然整个系统呈现放热，但靠近负极的双电层区域却表现为吸热（电解液体相与正极双电层为放热），这与现有动力学模型预测的结果相矛盾。这表明双电层系统在快充过程的产热机理亟需深入研究。
图 双电层形成过程水分子取向变化产生电流示意图。
10月27日，《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线刊发了课题组关于双电层热行为的最新研究成果。论文题目为“Water-induced current determines heat generation during double layer charging”；第一作者为团队的曾良博士，第二作者为硕士生黄楠，通讯作者为冯光教授。在该工作中，作者采用恒电势分子动力学模拟，并发展了同时考虑离子与溶剂的动力学模型，探究了水系双电层系统在不同充电条件下的产热机理。与现有动力学理论相反，该工作结果表明在电解液体相，电场与电流之间的关系偏离欧姆行为从而导致非焦耳热，源于水诱导产生的电流；在双电层区域，过去被认为主导产热的离子电流却贡献甚微。原子尺度分析揭示出水分子取向变化诱导的电流决定了电解液体相和双电层区域的产热。这些结果表明现有动力学模型所忽略的溶剂动力学在双电层体系的热行为中起着关键作用。
本工作得到了国家自然科学基金、华中科技大学学术前沿青年团队、湖北省自然科学基金和中国博士后科学基金的资助以及武汉超算和华中科技大学超算平台的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1103/79nl-455r
