【內(nèi)容簡(jiǎn)介】

超級(jí)電容器，也稱為雙電層電容器，是介于傳統(tǒng)電容器和電池間的一種新型、高效的儲(chǔ)能裝置。相比電池，它具有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度窗口寬等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于電力交通、分布式能源、大型重力裝置和備用電源等領(lǐng)域。

電極-電解液間交互作用對(duì)超級(jí)電容器性能起著至關(guān)重要的作用。隨著電極材料從傳統(tǒng)多孔（如活性炭）發(fā)展到新型納米材料（如石墨烯），儲(chǔ)能性能表現(xiàn)出納米尺度下的特殊現(xiàn)象，如尺寸效應(yīng)和邊緣效應(yīng)。Gouy–Chapman–Stern經(jīng)典雙電層理論在一定程度上不適用于納米和亞納米尺度的超級(jí)電容儲(chǔ)能機(jī)理。

分子動(dòng)力學(xué)模擬基于經(jīng)典牛頓力學(xué)，被認(rèn)為是探究超級(jí)電容器儲(chǔ)能行為最有利工具之一。借助經(jīng)典勢(shì)函數(shù)，分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠從原子層級(jí)揭示儲(chǔ)能微觀機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過程，如納米孔中離子脫、吸附規(guī)律和場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的傳輸機(jī)制，為超級(jí)電容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

浙江大學(xué)薄拯教授課題組系統(tǒng)探討了從傳統(tǒng)多孔到新型納米材料的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注了儲(chǔ)能性能與電極材料孔徑分布、幾何形貌以及表面修飾等的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

綜述指出，除了孔徑分布，合理設(shè)計(jì)亞納米、納米孔的表面形貌（如摻雜、缺陷等）能夠進(jìn)一步提高超級(jí)電容器儲(chǔ)能能量密度。另外，調(diào)控壁面粗糙程度和縮短擴(kuò)散路徑是強(qiáng)化離子在微孔中動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)的有力措施，為高性能超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)構(gòu)筑提供了新思路。

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【研究亮點(diǎn)】

1.超級(jí)電容器的儲(chǔ)能行為與其電極材料的孔徑分布、幾何形貌以及表面修飾等密切相關(guān)；

2.系統(tǒng)總結(jié)了從傳統(tǒng)多孔到新型納米材料的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究進(jìn)展；

3.原子尺度數(shù)值模擬成果可用于指導(dǎo)電極材料的形貌設(shè)計(jì)與儲(chǔ)能性能提升。

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【圖文一覽】

?1.多孔材料的分子動(dòng)力學(xué)研究

針對(duì)椰殼活性炭的孔徑分布和孔隙結(jié)構(gòu)，反蒙特卡羅方法（Reverse Monte Carlo）適合用于構(gòu)建分子模擬模型。結(jié)果表明，椰殼活性炭電極的非均勻孔徑分布，以及其連同孔形貌，可有效地降低納米受限空間引起的尺寸效應(yīng)，使得離子的微觀排布規(guī)律和動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)與孔外電解液中的行為較為接近。

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2??二維納米材料的分子動(dòng)力學(xué)研究

石墨烯厚度僅為單個(gè)碳原子直徑，是一種新型二維納米材料，具有極其優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能以及碳材料中最高的比表面積，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高性能超級(jí)電容的理想材料。針對(duì)石墨烯超級(jí)電容儲(chǔ)能的分子動(dòng)力學(xué)研究主要集中在面向石墨烯平板和納米通道。

針對(duì)石墨烯平板的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究揭示了其微觀雙電層結(jié)構(gòu)，有效解釋了電化學(xué)實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的不同形狀特征微分電容曲線。針對(duì)石墨烯納米通道的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究為納米和亞納米受限空間內(nèi)的雙電層電容儲(chǔ)能特性提供了原子層級(jí)機(jī)理。

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3? ?一維納米材料的分子動(dòng)力學(xué)研究

碳納米管是典型一維管狀碳納米材料。針對(duì)碳納米管的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究表明，其內(nèi)表面和外表面呈現(xiàn)出不同的儲(chǔ)能機(jī)理。

對(duì)于外表面，由于彎曲表面的影響，碳納米管的微分電容基本不隨電極電勢(shì)變化。對(duì)于內(nèi)表面，由于受限空間的影響，離子會(huì)發(fā)生“部分去溶劑化現(xiàn)象”，呈現(xiàn)出顯著的納米尺度尺寸效應(yīng)。

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4? ?零維納米材料的分子動(dòng)力學(xué)研究

洋蔥碳是一種典型的零維納米材料。洋蔥碳的內(nèi)表面無法利用，但其彎曲外表面對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能行為有著顯著的影響。

分子動(dòng)力學(xué)模擬研究發(fā)現(xiàn)，洋蔥碳電極電容隨著曲率半徑的減小而單調(diào)增加，且顯著高于二維石墨烯平板。另外，洋蔥碳的外表面容易被電解液接觸，傳輸阻力小，對(duì)實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容高功率密度有潛在優(yōu)勢(shì)。

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近些年，隨著諸多新型電極、電解質(zhì)材料和器件的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)工作者需要對(duì)超級(jí)電容器自身儲(chǔ)能機(jī)理有更加明確的闡釋，從而提升器件性能的指導(dǎo)，從根本上提升超級(jí)電容器的性能，推進(jìn)相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展。而理論模擬與計(jì)算便是超級(jí)電容器機(jī)理研究領(lǐng)域的重要工具，深圳華算科技有限公司可利用分子動(dòng)力學(xué)、密度泛函等計(jì)算理論結(jié)合MS,Gussian,VASP,LAMMPS,CP2K等計(jì)算軟件，為廣大實(shí)驗(yàn)人員提供強(qiáng)大的理論支持。