微纳孔结构电极超级电容器的储能机理分子动力学模拟研究

摘要

新能源近年来发展迅速，但是由于其间歇性的特点，需要配套高性能的储能装置。超级电容器由于其优异的性能被认为是具有良好发展前景的新型储能装置。已有的研究表明电极的微纳孔道结构将极大地影响超级电容的性能，因此寻找孔道结构具有高度可控性的高性能电极材料能极大地推进超级电容器的应用。本文运用分子动力学模拟的方法，深入研究了具有不同微纳孔结构电极的超级电容的储能机理，希望能对寻找可控孔道结构的高性能电极材料有所助益。 本文研究了具有柱状孔、狭缝型孔和六角形表面孔三种具有不同的微纳孔结构电极，在模拟中分别用单层碳纳米管、石墨烯和导电金属有机框架材料来对应实现。在对具有柱状孔碳纳米管电极的研究中，发现负极具有更高的微分电容数值，指出离子与水分子的相互作用决定了这一特点；在对具有狭缝型孔的石墨烯电极的研究中，提出水与离子的相互作用会减小电极表面净电荷量的积累，从而抵消了孔径减小对电容的增长效果；在对具有六角形表面孔的导电性金属有机框架材料电极的研究中，分析了双电层离散分布的结构，通过对电荷屏蔽因子的计算发现更大的孔径更加有利于容纳略微超过电极电荷量的净电荷，分析了不同电压下的离子交换机制。 简而言之，本文在研究过程对具有不同微纳孔结构的电极材料进行了模拟计算，探究了上述电极材料与电解质形成的固液界面，研究了充电过程中的离子交换机制。通过对比各种电极材料的比电容等性能表现后，发现导电性金属有机框架材料具有与石墨烯相当的性能。考虑到导电金属有机框架材料孔径可调的特性，该材料有望用于制备出具有更高能量密度的超级电容器。

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