化学缺陷如何影响纳米多孔碳基超级电容器的充电

离子脱溶和束缚是多孔碳基双层电性超级电容器（EDL）充放电循环过程中的关键物理过程。双电层（EDL）电容器的术语来自经典的无孔电极的图片，在平均场介质连续描述中，在给定浓度的点带电离子填充溶剂的电压极化时，在其附近积累相反的带电离子。这幅图虽然很流行，但显然不适用于具有亚纳米级孔隙的多孔电极。特别是，EDL 的平均场 Gouy-Chapman 描述在高摩尔浓度和孔径小于几纳米（碳基质通常为 4 纳米）的情况下失效。EDL 预测通常依赖于泊松-玻尔兹曼理论和修正版本，如 Debye-Hückel。目前，还没有理论能够解决常用于电化学器件的无序多孔碳材料的纳米孔中限制离子的静电问题。

我们提出了一种新的方法来描述亚纳米孔碳电极（Pikunic 2003）在超级电容环境中的充放电过程，我们称之为化学驱动电荷定位模型（CDCL）。尽管 CDCL 方法具有平均场的特性，但它是目前在原子尺度上模拟带电器件的标准方法的改进，即恒电荷和恒电压方法，它们无法正确描述亚纳米孔中的离子对接（Dupuis 2022）。根据 DFT 计算，CDCL 方法包括定位缺陷非 sp2 碳位点上的电荷，包括化学或拓扑缺陷。与标准方法相比，这种方法既可以模拟电极表面的吸附，也可以模拟纳米孔下的对接。应用于纳米多孔碳的真实纹理，我们可以解开潜藏在亚纳米多孔碳基超级电容装置的电容效应的基本过程。我们特别指出，在使用标准水电解质的这种器件中，亚纳米孔构成了约 20% 的电容。更详细地说，我们表明，离子在孔内的对接之前，在孔外表面附近发生了不对称脱溶。钠离子和氯离子的脱溶过程实际上是不同的，因为钠离子的水化壳比氯离子的水化壳更紧。离子一旦脱溶，就可以进入纳米孔；与原位 x 射线实验（preal 2017）一致的是，亚纳米孔主要布满了裸露的离子。

演讲者

Roland Pellenq 博士

CNRS 研究主任

Roland Pellenq 博士担任法国政府科学研究机构 CNRS 的研究主任，也是华盛顿特区乔治敦大学物理系的客座教授。

Roland Pellenq 博士是一名计算材料科学家，对微孔和纳米多孔材料和受限流体的物理和力学有浓厚兴趣。

在法国埃克斯-马赛大学获得等离子体物理硕士学位后，1994 年在英国帝国理工学院获得化学物理学博士学位，2000 年在法国 Orléans 大学获得物理康复学位。Roland Pellenq 的研究致力于为能源和环境中各种各样的关键问题开发自下而上的模拟方法，从氢和 CH4 的存储，二氧化碳的封存，页岩气到水泥和混凝土的基础研究，以及最近的城市物理学。

R. Pellenq 是 250 多篇发表在主要同行评审科学期刊上的论文的作者或合著者。他是麻省理工学院与 CNRS 联合实验室 “能源与环境多尺度材料科学“ 的创始人和负责人。(2012 - 2020)。

R. Pellenq 获得了许多研究奖项，包括但不限于 2019 年埃克斯-马赛大学的特别评审团奖 Trophées de l ''Innovation; 2018 年获欧洲地质力学协会 ALERT 研究奖章。

2022年11月15日

周二

北京时间 23:00