雙電層電容器作為一種新型儲能裝置因為功率密度大、使用壽命長、清潔環(huán)保等優(yōu)點在設備儲能、電動汽車和電網(wǎng)等領域具有巨大潛力。雖然如此,其能量密度低的缺點卻阻礙了其應用。通過增大其電容可提高其能量密度,因此采用分子動力學模擬（MD）的方法研究了石墨烯面間距（狹縫孔徑）和碳納米管直徑（圓孔直徑）對面積比電容的影響規(guī)律,以此間接反映石墨烯面間距和碳納米管直徑對能量密度的影響。通過分析K⁺和H₂O的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在狹縫孔中,當K⁺呈單層分布（面間距小于0.5 nm）時,電容隨著面間距減小而增加;K⁺呈雙層分布（面間距介于0.5～0.803 nm）時則相反;而在圓孔中,電容隨直徑呈振蕩變化,并且由于曲率,其面積比電容比狹縫孔的大得多。 

【文章來源】：儲能科學與技術. 2020,9(06)CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

間距為0.936 nm時的模型，其中粉、紅、白、青色球分別代表K、O、H、C

直徑為0.936 nm時的模型，其中粉、紅、白、青色球分別代表K、O、H、C

為探究電容變化的微觀機制，研究不同尺寸下K+和H2O的分布狀態(tài)。在此之前，已經(jīng)進行了面間距為0.803 nm、0.936 nm、1.08 nm和1.203 nm的模擬工作，發(fā)現(xiàn)粒子的分布狀態(tài)、K+水合情況、相互作用能以及電容變化都與Feng等[9]一致，驗證了模型的準確性。在模型準確的基礎上，進一步研究面間距減小時粒子的分布變化。粒子的分布狀態(tài)如圖3所示。從圖3(a)可以看出，當面間距為0.6 nm時，K+和H2O呈雙層分布于兩側(cè)極板處。隨著面間距的減小，K+的雙層分布逐漸向單層分布過渡，H2O轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌臃植�，如圖3(b)所示。當面間距進一步減小，K+和H2O在極板中心的分布更加集中，如圖3(c)所示。當面間距減小為0.4 nm時，K+和H2O的分布保持單層分布不再發(fā)生變化，如圖3(d)所示。通過以上分析可以看出，當面間距小于0.6 nm后，受到尺寸限制，K+和H2O只能成以單層的方式分布于極板間。為解釋K+和H2O的分布，研究K+與壁面、H2O與壁面、K+與K+水合水和K+水合水的配位水與K+水合水之間的4種相互作用能。各間距對應的相互作用能以及K+的水合數(shù)如圖4及表1所示。當間距為0.6 nm時，中心處K+水合的能量、K+水合水的配位水與K+水合水之間的能量更低，水合數(shù)更多，但K+卻呈雙層，這說明水合在這時所發(fā)揮的作用很小，而K+和H2O與壁面間的作用甚微，可以忽略，因此只有除4種相互作用之外的靜電斥力[9]起優(yōu)勢作用，即此時可以按照經(jīng)典EDL理論，忽略溶劑并將離子看成點電荷，主要考慮靜電斥力。當間距為0.55 nm時，中心處K+水合作用的能量、K+和H2O與壁面之間的相互作用能、K+水合水的配合水與K+水合水之間的能量相比近壁面處都更低，這從能量的角度進一步說明了K+形成單層排布的原因。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]超級電容器能量密度的提升策略[J]. 郎俊偉,張旭,王儒濤,閻興斌.  電化學. 2017(05)



本文編號：3623218