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华科冯光团队ACS Nano:过渡态离子结构加快超级电容器充电

  近日,《ACS Nano》在线刊发了华中科技大学能源学院煤燃烧国家重点实验室冯光教授团队关于离子液体超级电容器充电动态特性的最新研究成果。论文题目为《过渡态离子结构加快亚纳米孔充电》(Ion structure transition enhances the charging dynamics in subnanometer pores);华中科技大学为第一单位;学校博士生莫唐明为第一作者。

    超级电容器是近些年发展起来的一种先进的绿色电能储存装置,具有充放电速度快,功率密度大,循环特性好的优点,在新能源微电网调峰、新能源汽车供电系统、快充领域有独特的应用前景。但是其能量密度相对于电池而言比较小,限制了其发展。在提高能量密度的同时,如能保持很快的充放电速度,会扩大它的应用前景。其中,纳米多孔电极具比表面积大,比电容高等特点,是提升能量密度较好的电极材料。同时,采用具有宽电压窗口的离子液体作为电解质,也可以用来提高能量密度。但是离子液体扩散系数比常见的水系或有机溶剂电解质小两个数量级,而且离子液体在纳米多孔电极中扩散更慢,这可能降低超级电容器的充放电速度和功率密度。因此研究离子液体多孔电极中的充放电动态特性尤为重要。而已有研究都表明,多孔电极的孔径越大,充电越快;而对于其电容的研究却表现出相反的趋势,即在亚纳米孔范围内,减小孔径,可以使电容异常增加。这意味着至少在亚纳米孔范围内,通过孔径优化提高超级电容器的能量密度,会降低功率密度,反之亦然。那是否存在同时提高能量密度和功率的方法呢?对亚纳米孔超级电容器的充电机理深入理解是回答与解决这一问题的关键,但现有对充电机理的研究还很匮乏。

华科冯光团队ACS Nano:过渡态离子结构加快超级电容器充电

    针对这一问题,作者使用分子动力学模拟方法,研究了亚纳米孔离子液体超级电容器的充电特性,探究了亚纳米孔孔径对离子液体充电性能的影响,并对其机理进行了深入分析和阐释。研究结果表明,与传统认识(孔径越大,充电越快)不同的是:充电时间随孔径增加而震荡变化,充电在特定的孔径会得到加快,并且加快的孔径可以同时获得较高的能量密度和较大的功率密度。作者提出的系统充电机理常数(∆X)的概念可以很好地描述纳米孔的充电快慢与其内离子变化的关系,并发现∆X接近于0的孔可以获得很快的充电速度。该工作还进一步阐释了其充电加快的传质机理:孔内离层结构的过渡态,加快了纳米孔的充电。垂直于孔径方向的一维离子分布使离子可以在垂直于孔壁方向自由传输,减少了壁面对离子扩散的影响;平行于孔壁面的二维离子的过渡态降低了离子运动的活化能,加快了离子的扩散。

    这一工作不仅有助于深刻理解离子液体在纳米受限作用下的传质机理,也为纳米多孔电极超级电容器的设计提供了新的思路。

Tangming Mo, Sheng Bi, Yuan Zhang, Volker Presser, Xuehang Wang, Yury Gogotsi, Guang Feng, Ion Structure Transition Enhances Charging Dynamics in Subnanometer Pores,  ACS Nano 2020, DOI:10.1021/acsnano.9b09648

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参考文献:ACS Nano

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