现代技术，如智能手机、电动汽车和各种电池供电的设备越来越需要高密度的电能存储单元来改善操作。超级电容器是一种新兴的高功率存储设备，它由多孔电极组成，可以在电解质-电极界面以离子云的形式有效地存储大量电能。然而，允许高能量密度存储的纳米孔和纳米狭缝的复杂结构也限制了这些存储设备的实用性，因为它们限制了它们按需快速释放电能的能力。为了释放它们储存的能量，离子必须在高度受限的孔隙中移动很远的距离，以便在短时间内对孔隙表面的离子云进行充电和放电。为了满足当前的技术需求，了解离子云在单个纳米孔内充电的过程是至关重要的——纳米孔是多孔电极的基本元素。

图1所示。A.本研究中使用的仪器中板的结构示意图(I)和在板之间的间隙上形成的纳米狭缝排列示意图(II)，并标记了主要成分。B.对金施加正电压后，不同纳米狭缝厚度下观察到的峰的放大图。蓝色和红色箭头分别表示云母板开始向金板移动，并在弹簧的恢复力作用下返回到原来的位置。黑色实线对应于我们基于运动方程解的云母板运动模型。

在我们最近发表的文章中，我们开发了一种新的方法来探测和测量单个纳米狭缝获得电荷的速度。为了做到这一点，我们设计了一个装置，其中两个圆形超光滑板——一个金片，安装在压电管上，另一个是绝缘矿物云母，安装在弹簧上——穿过一个纳米级的窄间隙，彼此面对，形成一个纳米狭缝，宽度约为50纳米，直径约为100微米(图1A)。在这种设置中，板最初被带到给定的分离D_我(即纳米缝厚度)在含有带电离子的盐溶液中。随后，对金施加正或负电压，同时通过光学干涉以±3Å分辨率测量金-云母分离。金表面电位的突然变化产生静电力，最初或排斥或吸引带负电荷的云母板。然后，随着更多的带电物质(离子)进入纳米狭缝来中和金表面的新电荷，静电力衰减，云母在弹簧的恢复力的作用下逐渐回到其初始位置。云母板的这种运动被看作是一个峰，它揭示了纳米狭缝电荷的速度(图1B)。通过求解与我们系统相关的运动方程，我们可以精确地拟合得到的峰，并深入了解纳米狭缝如何电荷。

图2所示。A.不同狭缝厚度Di和不同盐(NaNO3)浓度下纳米狭缝充电时间τEDL。上面和下面的黑色实线对应于每种盐浓度的运动方程模型。实蓝色曲线最适合于传输线模型。B.不同狭缝厚度下的纳米狭缝充电时间Di穿过含有两种具有不同扩散特性的带电离子(离子)的盐溶液(LiClO4)，其中绿色方格对应移动较快的离子(ClO4-)，红色方格对应移动较慢的离子(Li+)。

我们发现，在施加电压后，这样一个纳米缝大约需要一秒钟才能充满电。此外，还发现了模型系统的各种特性对充电时间的影响。例如，在较窄的纳米狭缝和溶液中离子浓度较低的情况下，测量到的充电时间较慢(图2A)，这表明离子必须从溶液中行进(扩散)很长一段距离(数百微米)才能完全中和其电荷。通过测量较慢扩散(移动)离子的较慢充电时间，进一步加强了这一结论(图2B)。最后，我们发现我们的结果符合传输在线模型-纳米孔中离子传输的理论模型-表明我们的纳米狭缝几何形状可以用来描述单个纳米孔的充电特性(图2A)。因此，我们的新方法可以通过检查哪些特性(孔隙宽度，离子类型和浓度等)可以加速充电并提高其功率密度，从而帮助指导改进存储设备的开发，从而为不同的设备供电。

跑Tivony¹，雅各布·克莱因^2
1英国剑桥大学物理系
²以色列魏茨曼科学研究所材料与界面系

出版

单个纳米孔的充电动力学。
刘建军，刘建军，刘建军，刘建军。
Nat common . 2018年10月11日

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