ESM：官能團與陰離子粒尺寸對電荷儲存機理的影響
發布時間：2021-12-06 16:11:04 人氣：1738
電力儲存系統在過去的幾十年中得到了科學界的巨大關注，這是因為在我們的日常生活中電力的廣泛使用以及不可替代的作用。電池由于較高的性能與適宜的價格在近些年已經得到了廣泛的應用。然而，超級電容器，也就是人們所熟知的雙電層電容器，在電力儲存市場與科研領域扮演者越來越重要的角色。超級電容器在快速能量傳輸與收集中具有極大的優勢，但其較低的能量密度始終無法令人滿意，因此，在保證功率密度的同時提高超級電容器的能量密度是十分重要的。
與電池類似，一個超級電容器器件的電化學性能主要由其電極和電解液來決定。在電極方面，最近的研究已經證明了過渡金屬基材料，低維系統材料是電力儲存系統優異的電極材料，這得益于其卓越的電學性能以及多元氧化狀態等等。二維過渡金屬碳化物和氮化物，也就是MXenes，是這類材料的典型代表，因MXene層間較弱的反應與表面親水性官能團的存在，電解液離子可以很容易地插入到MXenes當中，極大地提升了電化學性能。與傳統的過渡金屬氧化物，導電聚合物以及氧化活性有機分子相比，MXene電極不僅具有可觀的容量還具有更好的循環穩定性。
選擇合適的電極/電解液界面對于實現高能量密度的電力儲存器件非常重要，大量的實驗研究都聚焦于MXenes與不同電解液匹配時的儲能機理。在眾多的計算方法當中，分子動力學（MD）模擬在深度探索儲能機理以及超級電容器設計中是更有效的方式。
最近，法國圖盧茲大學Patrice Simon教授與Céline Merlet教授在在國際高水平學術期刊 Energy Storage Materials上發表題目為： Effects of functional groups and anion size on the charging mechanisms in layered electrode materials的研究論文，系統深入地通過分子動力學模擬研究了官能團與陰離子尺寸對電荷儲存的影響。
圖1.典型的基于MXene的模擬。
圖2. 本文所研究的電解液離子的化學結構。
圖3. 本文所研究的所有體系的相對體積膨脹與收縮。
圖4. 不同電極材料與電解液的初始平衡層間距。
圖5. 充放電過程中石墨烯與Ti3C2F2電極的離子數量演變。
圖6. 本文所研究所有體系在最大充電狀態下的嵌入與嵌出比例。
圖7. 所研究體系不同自由能比較。
本文使用分子動力學模擬方法，系統地研究了官能團對于陰離子尺寸對電荷儲存的影響。研究了典型的二維材料，石墨烯以及三種MXenes（Ti3C2F2，Ti3C2O2， Ti3C2(OH)2）與五種不同的離子液體。研究發現，對于所有的電極材料與電解液來說，電極帶負電時會膨脹，并且對陰離子類型的依賴性不大。當電極帶正電時，體積變化更加復雜，而陰離子大小沒有任何特定趨勢。在一些特定的情況下，例如對于FSI-和TFSI-，離子的重定向也會影響層間體積。模擬結果表明，帶電機制（嵌入，交換，嵌出）隨陰離子大小而不斷變化，在中性條件下與電極表面密切相關。
文獻鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.08.030
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