學術干貨系列 | 超級電容器的理論計算研究 – 總述

學術干貨系列 | 超級電容器的理論計算研究

總述

湛誠（美國加州大學河濱分校）

【引言】

超級電容器（Supercapacitor）作為一種能快速儲存和釋放電能的裝置，在機械和工業領域已經被廣泛運用于眾多電子設備與機器裝置中。根據儲能機理的不同，超級電容器被分為兩大類：雙電層電容器（Electric Double Layer Capacitors，后文簡稱EDLCs）和贗電容器（Pseudocapacitor）。前者的儲能機理是基于固液界面形成的雙電層，而后者則是基于可逆的贗電容反應（包括表面氧化還原反應和嵌入-脫嵌反應）。^[注1] 目前而言，側重實驗合成材料及表征性能的工作是超級電容器的研究領域的主流。研究者們孜孜不倦地追求如何制備出性能優異的超級電容器材料（工程角度）。然而對于超級電容器本身的工作機理及其相關的界面間復雜的物理化學行為的研究（科學角度）卻鳳毛麟角。此外，隨著近些年來許多新型電極、電解質材料和器件的發展（如多孔碳電極，離子液體電解質和離子電容器），傳統的界面電化學模型[例如Helmholtz模型（參見圖1a），Gouy-Chapman 模型（參見圖1b）等）]與理論早已不再適用于此類新型體系。因此，對超級電容器自身儲能行為的闡明將為實驗工作者提供提升器件性能的指導，從而從根本上提升超級電容器的性能，推進相關研究領域的發展。而理論模擬與計算便是超級電容器機理研究領域的重要工具。相關研究工作目前正廣泛而迅速地開展起來。需要指出的是，在現階段，還沒有任何一個模型和模擬方法可以完整而準確地描述超級電容器的儲能行為與相應復雜的界面物理化學現象。

圖1 兩種傳統界面電化學模型（僅示電極/電解質界面部分，電解質主體部分陰陽離子應均勻混合，未在圖中示出）。（a）Helmholtz模型：電極材料充電后，電解質中帶相反電荷的離子緊密吸附在電極表面附近，形成緊密層。（b）Gouy-Chapman 模型：充電后，電極表面附近陰陽離子仍混亂分布，僅部分帶相反電荷的離子松散地靠近電極表面。

【系列文章內容簡介】

本系列文章旨在為電化學儲能領域的研究者展示超級電容器理論研究領域的概貌，并結合筆者從事相關研究積累的經驗為讀者講解相關基本知識與解讀最新研究進展。在第一部分中，筆者將介紹幾種常見的適用于超級電容器（以碳材料雙電層電容器為主）的模擬方法和一些代表性工作。第二部分側重介紹理論模擬工作與實驗結合的若干工作。第三部分筆者將結合近幾年理論模擬工作的發展，概括超級電容器的儲能機理的研究，并展示現階段中該領域所面臨的問題與挑戰。同時也會簡略介紹有關贗電容模擬的工作。最后，筆者將列舉在超級電容器理論方面工作出色的課題組， 便于對超級電容器理論研究感興趣的讀者高效迅速地追蹤最前沿的工作。

筆者近期在Advanced Science上發表的一篇綜述：C. Zhan, D.E. Jiang et al. Computational Insights into Materials and Interfaces for Capacitive Energy Storage, DOI: 10.1002/advs.201700059可作為本系列文章的參考文獻。

本系列文章將不定期更新，敬請期待！

注1：關于超級電容器儲能機理，編者在另一篇干貨文章中有更為詳細的介紹：http://www.szccc.org/71053.html

本系列文章由材料牛資訊網編輯劉田宇邀稿并編輯審核發表。