分子動力學模擬：超級電容器電極材料設計
本文亮點
1超級電容器的儲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；
2系統總結了從傳統多孔到新型納米材料的分子動力學模擬研究進展；
3原子尺度數值模擬成果可用於指導電極材料的形貌設計與儲能性能提升。
內容簡介
超級電容器，也稱為雙電層電容器，是介於傳統電容器和電池間的一種新型、高效的儲能裝置。相比電池，它具有功率密度高、充放電速度快、循環壽命長、工作溫度窗口寬等優點，被廣泛地應用於電力交通、分散式能源、大型重力裝置和備用電源等領域。
電極-電解液間交互作用對超級電容器性能起著至關重要的作用。隨著電極材料從傳統多孔（如活性炭）發展到新型納米材料（如石墨烯），儲能性能表現出納米尺度下的特殊現象，如尺寸效應和邊緣效應。Gouy–Chapman–Stern經典雙電層理論在一定程度上不適用於納米和亞納米尺度的超級電容儲能機理。
分子動力學模擬基於經典牛頓力學，被認為是探究超級電容器儲能行為最有利工具之一。藉助經典勢函數，分子動力學模擬能夠從原子層級揭示儲能微觀機理和動力學過程，如納米孔中離子脫、吸附規律和場驅動下的傳輸機制，為超級電容器的優化設計提供理論指導。
浙江大學薄拯教授課題組系統探討了從傳統多孔到新型納米材料的分子動力學模擬研究進展，重點關注了儲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在關聯。
綜述指出，除了孔徑分布，合理設計亞納米、納米孔的表面形貌（如摻雜、缺陷等）能夠進一步提高超級電容器儲能能量密度。另外，調控壁面粗糙程度和縮短擴散路徑是強化離子在微孔中動力學輸運的有力措施，為高性能超級電容器的設計構築提供了新思路。
圖文導讀
1多孔材料的分子動力學研究
活性炭是目前商用最為廣泛的超級電容器儲能材料。由於其孔徑分布不均勻（從微孔到介孔，甚至大孔），相關分子動力學模擬研究較少。
針對椰殼活性炭的孔徑分布和孔隙結構，反蒙特卡羅方法（Reverse Monte Carlo）適合用於構建分子模擬模型。結果表明，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，使得離子的微觀排布規律和動力學輸運與孔外電解液中的行為較為接近。
2二維納米材料的分子動力學研究
石墨烯厚度僅為單個碳原子直徑，是一種新型二維納米材料，具有極其優異的導電和導熱性能以及碳材料中最高的比表面積，被認為是實現高性能超級電容的理想材料。針對石墨烯超級電容儲能的分子動力學研究主要集中在面向石墨烯平板和納米通道。
針對石墨烯平板的分子動力學模擬研究揭示了其微觀雙電層結構，有效解釋了電化學實驗所觀測到的不同形狀特徵微分電容曲線。針對石墨烯納米通道的分子動力學模擬研究為納米和亞納米受限空間內的雙電層電容儲能特性提供了原子層級機理。
3一維納米材料的分子動力學研究
碳納米管是典型一維管狀碳納米材料。針對碳納米管的分子動力學模擬研究表明，其內表面和外表面呈現出不同的儲能機理。
對於外表面，由於彎曲表面的影響，碳納米管的微分電容基本不隨電極電勢變化。對於內表面，由於受限空間的影響，離子會發生「部分去溶劑化現象」，呈現出顯著的納米尺度尺寸效應。
4零維納米材料的分子動力學研究
洋蔥碳是一種典型的零維納米材料。洋蔥碳的內表面無法利用，但其彎曲外表面對超級電容儲能行為有著顯著的影響。
分子動力學模擬研究發現，洋蔥碳電極電容隨著曲率半徑的減小而單調增加，且顯著高於二維石墨烯平板。另外，洋蔥碳的外表面容易被電解液接觸，傳輸阻力小，對實現超級電容高功率密度有潛在優勢。
作者簡介
主要研究方向：
納米尺度傳熱傳質；非平衡熱力學和統計熱力學；載能粒子輸運規律和動力學；石墨烯超級電容儲能技術；儲能熱行為機理及調控。
課題組主頁：
TAG:nanomicroletters |