近日，我院助理教授莫唐明發(fā)展了多孔電極的跨尺度模擬方法，闡明了多孔石墨炔電極超級電容器的能量儲存機理，預(yù)測了兼具高能量高功率的新電極材料，為高性能超級電容器的研發(fā)提供了新理論、新思路與新方案。該成果以《多孔石墨炔超級電容器能量儲存機理：孔拓撲結(jié)構(gòu)與電極金屬性的影響》（Energy Storage Mechanism in Supercapacitors with Porous Graphdiynes: Effects of pore topology and electrode metallicity）為題，發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域頂刊《先進材料》（Advanced Materials）。莫唐明老師是該論文的共同第一作者。
超級電容器具有充電快、功率高等優(yōu)點，在新能源汽車、國防軍事等領(lǐng)域的儲能中扮演著重要角色。但與電池相比，如何在維持其高功率密度的同時提升能量密度是當(dāng)前超級電容器研發(fā)的痛點。常見的多孔電極材料（如活性炭、碳化物衍生碳等）可以增加超級電容器的能量密度，但其無序的離子通道降低了其功率密度；導(dǎo)電多孔二維材料具有周期性的晶體結(jié)構(gòu)和有序的離子通道，有助于提高超級電容器的充電速度和功率密度，但其比表面積值還相對較低，因此限制了超級電容器的能量密度；氫取代石墨二炔是一種新型的多孔二維材料，具有比表面積大、物理性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點；多孔石墨炔獨特的sp和sp2的碳雜化軌道使其具有可調(diào)節(jié)的電子結(jié)構(gòu)和孔道結(jié)構(gòu)，為超級電容器的機理研究與性能優(yōu)化提供了理想的平臺，因此在能源儲存領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前研究表明，氫取代石墨二炔具有不同的堆疊方式和不同的金屬性，將會深刻影響超級電容器的儲能性能，但對這些拓撲結(jié)構(gòu)與金屬性所產(chǎn)生的具體影響及其機理還不清晰，目前需要學(xué)界深入探索。
針對上述問題，莫唐明老師及其團隊結(jié)合第一性原理、等電勢分子動力學(xué)模擬和傳輸線模型，以多孔石墨炔為例，探究了二維電極材料的堆疊方式和金屬性對超級電容器能量儲存的影響及其作用機理。模擬揭示電極孔壁更為粗糙的AB堆疊結(jié)構(gòu)（形成曲里拐彎的納米孔），相對于AA堆疊結(jié)構(gòu)（形成直筒狀的納米孔），能使孔內(nèi)形成更強的超離子態(tài)，以此增加孔內(nèi)自由離子比例有利于陰陽離子對的解耦與離子傳輸，可實現(xiàn)在提升電容的同時降低內(nèi)阻。該成果進一步預(yù)測出氮或硼摻雜能將多孔石墨炔由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體，從而極大地提高電極的量子電容，兼具高能量高功率密度，為高性能超級電容器的研發(fā)提供了新選擇。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301118
