学术干货系列 | 超级电容器的理论计算研究 – 总述

学术干货系列 | 超级电容器的理论计算研究

总述

湛诚（美国加州大学河滨分校）

【引言】

超级电容器（Supercapacitor）作为一种能快速储存和释放电能的装置，在机械和工业领域已经被广泛运用于众多电子设备与机器装置中。根据储能机理的不同，超级电容器被分为两大类：双电层电容器（Electric Double Layer Capacitors，后文简称EDLCs）和赝电容器（Pseudocapacitor）。前者的储能机理是基于固液界面形成的双电层，而后者则是基于可逆的赝电容反应（包括表面氧化还原反应和嵌入-脱嵌反应）。^[注1] 目前而言，侧重实验合成材料及表征性能的工作是超级电容器的研究领域的主流。研究者们孜孜不倦地追求如何制备出性能优异的超级电容器材料（工程角度）。然而对于超级电容器本身的工作机理及其相关的界面间复杂的物理化学行为的研究（科学角度）却凤毛麟角。此外，随着近些年来许多新型电极、电解质材料和器件的发展（如多孔碳电极，离子液体电解质和离子电容器），传统的界面电化学模型[例如Helmholtz模型（参见图1a），Gouy-Chapman 模型（参见图1b）等）]与理论早已不再适用于此类新型体系。因此，对超级电容器自身储能行为的阐明将为实验工作者提供提升器件性能的指导，从而从根本上提升超级电容器的性能，推进相关研究领域的发展。而理论模拟与计算便是超级电容器机理研究领域的重要工具。相关研究工作目前正广泛而迅速地开展起来。需要指出的是，在现阶段，还没有任何一个模型和模拟方法可以完整而准确地描述超级电容器的储能行为与相应复杂的界面物理化学现象。

图1 两种传统界面电化学模型（仅示电极/电解质界面部分，电解质主体部分阴阳离子应均匀混合，未在图中示出）。（a）Helmholtz模型：电极材料充电后，电解质中带相反电荷的离子紧密吸附在电极表面附近，形成紧密层。（b）Gouy-Chapman 模型：充电后，电极表面附近阴阳离子仍混乱分布，仅部分带相反电荷的离子松散地靠近电极表面。

【系列文章内容简介】

本系列文章旨在为电化学储能领域的研究者展示超级电容器理论研究领域的概貌，并结合笔者从事相关研究积累的经验为读者讲解相关基本知识与解读最新研究进展。在第一部分中，笔者将介绍几种常见的适用于超级电容器（以碳材料双电层电容器为主）的模拟方法和一些代表性工作。第二部分侧重介绍理论模拟工作与实验结合的若干工作。第三部分笔者将结合近几年理论模拟工作的发展，概括超级电容器的储能机理的研究，并展示现阶段中该领域所面临的问题与挑战。同时也会简略介绍有关赝电容模拟的工作。最后，笔者将列举在超级电容器理论方面工作出色的课题组， 便于对超级电容器理论研究感兴趣的读者高效迅速地追踪最前沿的工作。

笔者近期在Advanced Science上发表的一篇综述：C. Zhan, D.E. Jiang et al. Computational Insights into Materials and Interfaces for Capacitive Energy Storage, DOI: 10.1002/advs.201700059可作为本系列文章的参考文献。

本系列文章将不定期更新，敬请期待！

注1：关于超级电容器储能机理，编者在另一篇干货文章中有更为详细的介绍：http://www.cailiaoniu.com/71053.html

本系列文章由材料牛资讯网编辑刘田宇邀稿并编辑审核发表。