文章导读
当电池充放电时，你是否以为发热只是简单的焦耳热？华中科技大学冯光团队在《物理评论快报》的最新研究颠覆了这一认知。他们发现：在双电层系统中，真正主导产热的并非离子电流，而是中性的水分子取向变化所诱导的电流。这一突破性发现不仅解释了长期以来正极放热、负极吸热的实验矛盾，更揭示了电场-电流关系在电解液中会偏离欧姆定律。这项研究将重塑我们对电化学器件热管理的理解，为提升电池性能与安全性开辟了新方向。
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近日，能源学院冯光教授团队在双电层系统产热研究中取得新进展，相关研究成果以“水诱导电流决定双电层充电过程中的产热(Water-induced current determines heat generation during double layer charging）”为题，于2025年10月27日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。华中科技大学为唯一单位，第一作者为曾良博士，通讯作者为冯光。
双电层形成过程水分子取向变化产生电流示意图
电化学器件的充放电过程伴随着双电层的形成/释放。由于分子离子的相互作用，这一过程不可避免产生热量，对电化学器件的性能、寿命甚至安全性造成影响。因此，理解双电层系统的产热机理至关重要。现有理论表明，双电层形成过程中的产热在整个体系均表现为放热：在电解液体相，电场－电流遵循欧姆定律，产热归因于焦耳热；在正负电极的附近的双电层区域，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，量热实验却发现：正极附近双电层表现为放热，负极附近双电层为吸热——与现有理论相矛盾——表明双电层系统快充过程的产热机理亟需深入研究。
针对上述问题，冯光教授团队采用恒电势分子动力学模拟，系统探究了双电层系统的充放电过程与产热机理。与现有理论相反，结果发现在电解液体相，电场－电流关系偏离欧姆定律从而导致非焦耳热行为；在双电层，过去被认为主导作用的离子对产热贡献甚微。通过修正产热动力学以及发展偶极子转动模型，揭示出中性的水分子取向变化诱导的电流主导了双电层系统在电解液体相以及双电层的产热。该工作对理解电化学器件在实际工况充放电过程中的产热行为具有指导意义。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/79nl-455r
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