综述：关于双层电容器磁场增强效应及其机制的研究

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Research on the magnetic field enhancement effect and mechanisms of double-layer capacitor

基于Gouy-Chapman-Stern双电层模型，本研究通过COMSOL多物理场仿真与实验验证，系统揭示了磁场（0-0.57 T）对电双层电容器的离子传输及扩散层电位演化机制，证实电流密度遵循B1/3理论关系，磁场通过调控电解质微流结构及界面zeta电位，诱导螺旋离子运动，减小扩散层厚度并提升电荷存储性能，2000次循环后电容保持率92%。

　　

王玉龙|王洪磊|罗子怡|崔虎刚|冯凯|杨长平

太原科技大学材料科学与工程学院，中国太原 030024

摘要

在本研究中，基于Gouy-Chapman-Stern双层模型（GCSDLM），我们系统地研究了溶液离子向电极表面的扩散行为、在磁流体动力学（MHD）影响下扩散层电位的演变，以及由此对电双层电容器（EDLC）储能性能的提升机制。通过多物理场仿真（COMSOL）和实验验证相结合的方法，我们发现，在0–0.57 T的磁场范围内，EDLC的电流密度遵循理论预测的B^1/3缩放律，实验数据与仿真结果吻合良好。性能的提升源于MHD效应，即磁场改变了电解质的微观结构和界面Zeta电位，从而诱导出螺旋状的离子运动，增强了质量传递，减少了扩散层厚度，并提高了电流密度。此外，在0.57 T的磁场下经过2000次循环后，电容保持率仍高达92%。本研究为利用磁场调节EDLC的储能行为提供了新的见解和实验支持。

引言

电场和磁场之间的协同作用远远超出了经典的麦克斯韦电动力学范畴，其跨学科影响已延伸到包括电化学在内的多个前沿领域[1]、[2]、[3]、[4]。这种交叉催生了磁电化学（MEC）这一研究方向，它系统地探讨了磁场如何影响电化学过程[5]、[6]。自20世纪60年代以来，磁流体动力学（MHD）效应作为MEC中的关键机制一直受到学术界的持续关注。通过洛伦兹力（）诱导流体运动，MHD效应有效提高了电化学过程中的质量传递效率[3]、[7]。早期研究者如Levich和Fahidy建立了平面电极上氧化还原反应极限电流与磁场强度之间的经典B¹/³比例关系[8]、[9]。在过去的十年中，MHD效应在微流控、动态系统和有机合成等电化学领域的非传统应用展示了广泛的应用潜力。例如，Fan等人[10]、[11]开发了一种基于氧化还原反应的MHD（REDOX-MHD）微泵系统，无需机械阀门即可精确输送亚微升级液滴；Akay等人[12]、[13]将MHD诱导的微涡流引入电催化CO?还原系统，显著促进了气泡脱离并增强了质量传递；Wang等人[14]证明在电化学合成中利用MHD效应可以调节电极形态和结晶行为，从而显著提高电化学性能；Xu等人[15]在电化学沉积过程中利用MHD增强的质量传递成功合成了高性能铜基催化剂，实现了高效的硝酸盐还原为氨。这些研究突显了MHD效应作为可编程流体驱动机制在各种电化学系统中的重要应用潜力。

同时，MHD效应还能有效提升电化学储能设备的性能。电双层电容器（EDLC）是超级电容器（SCs）中一类重要的电化学储能设备[16]、[17]。由于具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电速率等优点，它们已成为储能技术的研究热点[18]。然而，由于其电极/电解质界面离子传输缓慢[19]、[20]，其相对较低的能量密度成为限制因素。外部磁场可以通过MHD效应改善这一问题。Zhu等人发现720 Gs的磁场使Na₂SO₄中石墨烯的比电容提高了67%[21]。Yan Xingbin团队[22]研究了外部磁场对电容器性能的影响，建立了磁场方向/强度与电极/电解质界面极限电流密度、电解质浓度和粘度之间的数学关系。他们发现磁场改变了电解质的导电性和粘度，诱导了电极/电解质界面的强制对流。然而，关于MHD-EDLC的应用和研究仍然较少。一方面，EDLC的性能主要取决于电极/电解质界面扩散层内的离子传输[23]、[24]；但现有的大多数MHD模型基于法拉第过程和厚扩散层的假设，难以准确描述EDLC中活性炭（AC）电极的实际情况[25]、[26]。另一方面，尽管已经探索了磁场对氧化还原反应系统或伪电容材料的影响，但关于磁场作用下纯电容界面双层结构的离子传输机制和动态演变过程仍缺乏系统研究[27]。此外，作为EDLC的常用电极材料，AC本身是非磁性的。因此，磁场对其性能的影响主要源于通过洛伦兹力和MHD效应改变电解质的微观结构和离子质量传递行为。

此外，通常使用以下关键技术来表征EDLC的电化学性能：循环伏安法（CV）用于评估电容行为和电极反应的可逆性；电化学阻抗谱（EIS）用于了解界面电荷转移过程和离子扩散动力学；恒电流充放电（GCD）测试用于直接确定比电容、能量密度和循环稳定性；线性扫描伏安法（LSV）结合塔菲尔分析用于研究电荷转移动力学、起始电位和交换电流密度。这些方法共同构成了评估EDLC储能性能的基本实验方法，并为研究磁场对其电化学行为的影响提供了关键证据。

Gouy-Chapman-Stern双层模型（GCSDLM）是一个描述电子-电解质界面电荷分布的经典理论框架，将界面电荷分为Stern层和扩散层[28]、[29]。在Stern层中，由于电极表面的强静电作用，没有自由电荷，其离子分布和动态行为几乎不受外部磁场的影响。相比之下，扩散层中有自由电荷且浓度梯度明显，其质量传递过程对磁场诱导的MHD效应非常敏感。因此，我们将MHD效应与GCSDLM框架结合，系统研究了磁场对EDLC中离子传输和电解质储能性能的提升机制。在这项工作中，我们通过开发一个基于MHD的模型来研究磁场下EDLC的非法拉第电流和电容，填补了这一空白。值得注意的是，我们的模型在泊松方程中加入了电势项，从而更准确地描述了MHD诱导对流下扩散层内的离子分布。这一理论框架通过Zeta电位测量得到了进一步验证，证实磁场改变了界面电位，从而增强了离子吸附动力学。

为了在代表性的水溶液中研究这些机制，我们选择了2 M NaOH作为电解质，由于其高离子导电性和稳定性，这种电解质在超级电容器中得到广泛应用。这一选择有助于清晰观察磁场对水环境中离子传输的影响。详细的实验程序和磁场设置规格在实验部分提供。

本研究分为两部分：（1）使用多物理场仿真软件（COMSOL）研究了在0至0.57 T磁场范围内，MHD效应对2 M NaOH电解质在EDLC充电过程中离子传输行为的影响；（2）通过实验测量系统分析了相同磁场强度下EDLC的电化学性能。结果表明，MHD效应通过改变电解质的微观结构和离子质量传递过程，提高了EDLC的比电容和能量密度。本研究为利用磁场调节电双层电容器的储能性能提供了理论和实验支持。

模型建立

本研究使用COMSOL Multiphysics 6.2开发了一个多物理场有限元模型。与之前的MHD-EDLC研究相比，我们的核心创新在于将GCSDLM与MHD诱导的对流效应相结合，并在求解MHD对流下的离子传输（Poisson-Nernst-Planck方程）时明确加入了电势项。这一改进使模型能够更准确地描述电势分布和离子

仿真计算

根据建立的模型和参数，仿真结果清楚地表明，在外部磁场和MHD效应的共同作用下，电极/电解质界面双层扩散层的厚度显著减小。这种变薄增强了OH^?离子在扩散层内的迁移和对流传输效率，导致OH^?离子的浓度梯度更加陡峭，从而增加了电流

结论

总结来说，本研究通过结合COMSOL仿真和电化学测量，研究了MHD效应对离子传输的影响以及由此对EDLC储能性能的提升。CV测试表明，在0–0.57 T的可调磁场范围内，电双层电容器的电流密度遵循理论预测的B^1/3幂律关系。LSV和塔菲尔分析进一步

当前工作的基准定位

为了将我们的工作置于磁增强电化学储能这一更广泛的领域中，表3提供了基准比较。该比较突出了本研究相对于以往利用磁场提升电化学系统性能的研究的关键差异和进步。

本研究明确位于磁增强电化学储能领域，并做出了独特贡献。

CRediT作者贡献声明

王玉龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。王洪磊：指导，资金获取，概念构思。罗子怡：概念构思。崔虎刚：数据整理，概念构思。冯凯：实验研究。杨长平：数据可视化，方法论设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山西省应用基础研究计划资助项目（项目编号：202203021222185）、太原科技大学科研启动基金（项目编号：20222092）以及太原科技大学针对在山西工作的博士的优秀奖励基金（项目编号：20232058）的财政支持。