石墨烯面间距和碳纳米管直径对双电层电容器电容的影响

发布时间：2022-02-13 12:45

　　双电层电容器作为一种新型储能装置因为功率密度大、使用寿命长、清洁环保等优点在设备储能、电动汽车和电网等领域具有巨大潜力。虽然如此,其能量密度低的缺点却阻碍了其应用。通过增大其电容可提高其能量密度,因此采用分子动力学模拟（MD）的方法研究了石墨烯面间距（狭缝孔径）和碳纳米管直径（圆孔直径）对面积比电容的影响规律,以此间接反映石墨烯面间距和碳纳米管直径对能量密度的影响。通过分析K⁺和H₂O的分布规律,发现在狭缝孔中,当K⁺呈单层分布（面间距小于0.5 nm）时,电容随着面间距减小而增加;K⁺呈双层分布（面间距介于0.5～0.803 nm）时则相反;而在圆孔中,电容随直径呈振荡变化,并且由于曲率,其面积比电容比狭缝孔的大得多。 

【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)CSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

间距为0.936 nm时的模型，其中粉、红、白、青色球分别代表K、O、H、C

直径为0.936 nm时的模型，其中粉、红、白、青色球分别代表K、O、H、C

为探究电容变化的微观机制，研究不同尺寸下K+和H2O的分布状态。在此之前，已经进行了面间距为0.803 nm、0.936 nm、1.08 nm和1.203 nm的模拟工作，发现粒子的分布状态、K+水合情况、相互作用能以及电容变化都与Feng等[9]一致，验证了模型的准确性。在模型准确的基础上，进一步研究面间距减小时粒子的分布变化。粒子的分布状态如图3所示。从图3(a)可以看出，当面间距为0.6 nm时，K+和H2O呈双层分布于两侧极板处。随着面间距的减小，K+的双层分布逐渐向单层分布过渡，H2O转变为单层分布，如图3(b)所示。当面间距进一步减小，K+和H2O在极板中心的分布更加集中，如图3(c)所示。当面间距减小为0.4 nm时，K+和H2O的分布保持单层分布不再发生变化，如图3(d)所示。通过以上分析可以看出，当面间距小于0.6 nm后，受到尺寸限制，K+和H2O只能成以单层的方式分布于极板间。为解释K+和H2O的分布，研究K+与壁面、H2O与壁面、K+与K+水合水和K+水合水的配位水与K+水合水之间的4种相互作用能。各间距对应的相互作用能以及K+的水合数如图4及表1所示。当间距为0.6 nm时，中心处K+水合的能量、K+水合水的配位水与K+水合水之间的能量更低，水合数更多，但K+却呈双层，这说明水合在这时所发挥的作用很小，而K+和H2O与壁面间的作用甚微，可以忽略，因此只有除4种相互作用之外的静电斥力[9]起优势作用，即此时可以按照经典EDL理论，忽略溶剂并将离子看成点电荷，主要考虑静电斥力。当间距为0.55 nm时，中心处K+水合作用的能量、K+和H2O与壁面之间的相互作用能、K+水合水的配合水与K+水合水之间的能量相比近壁面处都更低，这从能量的角度进一步说明了K+形成单层排布的原因。

【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器能量密度的提升策略[J]. 郎俊伟,张旭,王儒涛,阎兴斌.  电化学. 2017(05)



本文编号：3623218