NML综述 | 分子动力学模拟：超级电容器电极材料设计

Design of  Supercapacitor Electrodes Using Molecular Dynamics Simulations

Zheng Bo^{1, *}, Changwen Li¹, Huachao Yang¹, Kostya Ostrikov^{2, 3}, Jianhua Yan¹, Kefa Cen¹

Nano-Micro Lett. (2018) 10: 33

DOI: 10.1007/s40820-018-0188-2

本文亮点

1   超级电容器的储能行为与其电极材料的孔径分布、几何形貌以及表面修饰等密切相关；

2   系统总结了从传统多孔到新型纳米材料的分子动力学模拟研究进展；

3   原子尺度数值模拟成果可用于指导电极材料的形貌设计与储能性能提升。

内容简介

超级电容器，也称为双电层电容器，是介于传统电容器和电池间的一种新型、高效的储能装置。相比电池，它具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、工作温度窗口宽等优点，被广泛地应用于电力交通、分布式能源、大型重力装置和备用电源等领域。

电极-电解液间交互作用对超级电容器性能起着至关重要的作用。随着电极材料从传统多孔（如活性炭）发展到新型纳米材料（如石墨烯），储能性能表现出纳米尺度下的特殊现象，如尺寸效应和边缘效应。Gouy–Chapman–Stern经典双电层理论在一定程度上不适用于纳米和亚纳米尺度的超级电容储能机理。

分子动力学模拟基于经典牛顿力学，被认为是探究超级电容器储能行为最有利工具之一。借助经典势函数，分子动力学模拟能够从原子层级揭示储能微观机理和动力学过程，如纳米孔中离子脱、吸附规律和场驱动下的传输机制，为超级电容器的优化设计提供理论指导。

浙江大学薄拯教授课题组系统探讨了从传统多孔到新型纳米材料的分子动力学模拟研究进展，重点关注了储能性能与电极材料孔径分布、几何形貌以及表面修饰等的内在关联。

综述指出，除了孔径分布，合理设计亚纳米、纳米孔的表面形貌（如掺杂、缺陷等）能够进一步提高超级电容器储能能量密度。另外，调控壁面粗糙程度和缩短扩散路径是强化离子在微孔中动力学输运的有力措施，为高性能超级电容器的设计构筑提供了新思路。

图文导读

1  多孔材料的分子动力学研究

活性炭是目前商用最为广泛的超级电容器储能材料。由于其孔径分布不均匀（从微孔到介孔，甚至大孔），相关分子动力学模拟研究较少。

针对椰壳活性炭的孔径分布和孔隙结构，反蒙特卡罗方法（Reverse Monte Carlo）适合用于构建分子模拟模型。结果表明，椰壳活性炭电极的非均匀孔径分布，以及其连同孔形貌，可有效地降低纳米受限空间引起的尺寸效应，使得离子的微观排布规律和动力学输运与孔外电解液中的行为较为接近。

2  二维纳米材料的分子动力学研究

石墨烯厚度仅为单个碳原子直径，是一种新型二维纳米材料，具有极其优异的导电和导热性能以及碳材料中最高的比表面积，被认为是实现高性能超级电容的理想材料。针对石墨烯超级电容储能的分子动力学研究主要集中在面向石墨烯平板和纳米通道。

针对石墨烯平板的分子动力学模拟研究揭示了其微观双电层结构，有效解释了电化学实验所观测到的不同形状特征微分电容曲线。针对石墨烯纳米通道的分子动力学模拟研究为纳米和亚纳米受限空间内的双电层电容储能特性提供了原子层级机理。

3   一维纳米材料的分子动力学研究

碳纳米管是典型一维管状碳纳米材料。针对碳纳米管的分子动力学模拟研究表明，其内表面和外表面呈现出不同的储能机理。

对于外表面，由于弯曲表面的影响，碳纳米管的微分电容基本不随电极电势变化。对于内表面，由于受限空间的影响，离子会发生“部分去溶剂化现象”，呈现出显著的纳米尺度尺寸效应。

4   零维纳米材料的分子动力学研究

洋葱碳是一种典型的零维纳米材料。洋葱碳的内表面无法利用，但其弯曲外表面对超级电容储能行为有着显著的影响。

分子动力学模拟研究发现，洋葱碳电极电容随着曲率半径的减小而单调增加，且显著高于二维石墨烯平板。另外，洋葱碳的外表面容易被电解液接触，传输阻力小，对实现超级电容高功率密度有潜在优势。

作者简介

主要研究方向：

纳米尺度传热传质；非平衡热力学和统计热力学；载能粒子输运规律和动力学；石墨烯超级电容储能技术；储能热行为机理及调控。

课题组主页：

http://person.zju.edu.cn/zhengbo

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