Strategies to reach ultra-high capacitance values for supercapacitors: materials design
本文通过指出适当的电极和器件设计的重要性，强调了超级电容器的最新发展。我们报告了十个极高性能的超级电容器，其比电容值是迄今为止最高的。这些采用创新电极材料的最新设计已与其简短描述一起讨论。这里收集的超级电容器具有促进下一代能量收集和存储系统的最有前途的潜力。这篇综述仅仅是表面，可以帮助提供一个途径，超级电容器的研究，这仍然是开放的探索和开发新的新材料的能源应用的未来。
2021-09-23 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Hierarchically porous Ni monolith@branch-structured NiCo2O4 for high energy density supercapacitors
采用一步水热法在微孔泡沫镍上成功地生长了纳米线、纳米片、纳米片@纳米线等不同结构的NiCo 2 O 4。电化学电容的研究表明，Ni-Co2 O 4纳米片@纳米线结构在5A/g和50 A/g下的比电容分别为1380.3F/g和1033 F/g，在30 A/g下循环5000次后的电容保持率为86.7%。通过表征电极-电解质界面面积的表面粗糙度因子（RF）模型，进一步研究了电极表面形貌与比电容之间的关系。采用分级多孔（HP）Ni整体作为基底，显著提高了多孔Ni@NiCo2O4的RF，这说明了超级电容器高能量密度（12.6 F/cm 2）电极的模型。
2016-04-03 cond-mat.mtrl-sci
A model of large volumetric capacitance in graphene supercapacitors based on ion clustering
双电层超级电容器是基于离子可逆吸收到多孔导电电极中的用于高功率能量存储的有前途的装置。石墨烯由于其高导电性和大表面积而成为超级电容器中电极材料的特别好的候选者。在本文中，我们考虑由一堆石墨烯片与随机插入的“间隔”分子制成的超级电容器电极。我们发现，实验中观察到的大于100 F/cm ^3的大体积电容可以理解为离子集体嵌入石墨烯堆以及石墨烯电子的非线性屏蔽的结果，石墨烯电子使离子团簇的电荷重正化。
2011-09-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Role of redox additive modified electrolytes in making Na-ion supercapacitors a competitive energy storage device
该研究表明了走向中空纳米结构以获得下一代超级电容器和电池的重要性。在各种钠基电极材料中，NaFePO4是最有前途的阴极材料之一，因为其高的电化学电势、结构和热稳定性。为了在高性能的基于Na离子的能量存储装置中使用这种材料，必须将其与适当优化的碳结构和氧化还原添加剂改性的电解质组合。这一战略在文件中明确确立。加入氧化还原助剂后，性能提高50%。这使得Na离子超级电容器与其他基于金属离子的系统竞争。性能提升高达50%。这使得Na离子超级电容器与其他基于金属离子的系统竞争。
2021-12-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Achieving Both High Power and Energy Density in Electrochemical Supercapacitors with Nanoporous Graphene Materials
超级电容器是一种基于离子快速输运特性的高性能电容器，具有高孔隙度电极材料，可提供高功率、长稳定性和高效储能。然而，它们的低能量密度和比电容阻止了它们用于需要长持续时间的许多应用。使用可扩展的纳米多孔石墨烯合成方法，包括在氢气中的简单退火过程，在这里，我们展示了石墨烯超级电容器能够实现与锂离子电池可以提供的高能量密度相当的高能量密度，但功率密度要高得多。超高比重和体积电容是用高度多孔的石墨烯电极实现的。此外，用石墨烯电极组装的超级电容器显示出优异的稳定性。我们的研究结果表明，通过合成具有理想孔径、均匀性和良好离子可及性的石墨烯材料，可以彻底改变超级电容器的性能。
2013-11-06 cond-mat.mtrl-sci
Defect-engineered graphene for bulk supercapacitors with high energy and power densities
高能量和高功率密度超级电容器（SC）的开发对于实现下一代储能应用至关重要。纳米碳由于其经济可行性、高表面积和高稳定性而成为优异的SC电极材料。虽然纳米碳具有高的理论表面积并因此具有高的双层电容，但由于两个固有的瓶颈，存储在纳米碳-SC中的能量的净量远低于理论极限：i）它们的低量子电容和ii）有限的离子可及表面积。在这里，我们证明了石墨烯中的缺陷可以有效地用于通过大幅增加量子电容和打开新的通道来缓解这些瓶颈，以促进离子在其他封闭的层间空间中的扩散。我们的研究结果支持了一个新的能源范例的出现，在SC的双层电容超过理论极限的250%的增强。此外，我们展示了原型缺陷工程散装SC设备的能量密度500%以上，而不影响功率密度的最先进的商业SC。
2016-01-20 cond-mat.mtrl-sci
Toward Unified Interphase Engineering: The Solid-Electrolyte Interphase in Batteries and Supercapacitors
Bangladesh University of Engineering and Technology（孟加拉国工程与技术大学）；Lehigh University（利哈伊大学）
本文提出了一种统一的界面工程框架，通过分析电池和超级电容器中固电解质界面的共同机制，为高能量密度和长循环寿命的储能系统提供设计指导。
2025-11-28 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Theory of volumetric capacitance of an electric double-layer supercapacitor
双电层超级电容器是一类快速发展的高功率储能装置，其基于浸入浓缩电解质或离子液体中的多孔电极。到目前为止，还没有微观理论来描述它们惊人的每单位体积约100 F/cm ^3的电容（体积电容），也没有很好地理解体积电容的基本限制。在本文中，我们提出了一个非平均场论的体积电容的超级电容器，捕获的离散性的离子和电极的排斥相互作用的指数屏蔽。我们认为分析和通过蒙特卡罗模拟的情况下，由一个好的金属制成的电极，并表明，在这种情况下，体积电容可以达到记录值。我们还研究了如何减少电容时，电极是一个有缺陷的金属，其特征在于一些有限的屏蔽半径。最后，我们认为，碳电极，尽管其相对较大的线性屏蔽半径，可以近似为一个完美的金属，因为其强大的非线性屏蔽。通过这种方式，可以理解实验测得的电容值约为100 F/cm^3。
2011-05-15 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
First-principles simulation of capacitive charging of graphene and implications for supercapacitor design
超级电容器通过形成双电层来存储能量，双电层在电极-电解质界面处产生强电场。与传统的金属电极不同，石墨烯衍生的材料具有低的电子态密度（即，量子电容），这限制了它们重新分配电荷和有效屏蔽该场的能力。为了探索这些效应，我们引入了基于有效屏蔽介质框架的第一原理方法，该方法用于直接模拟单层和多层石墨烯的电荷存储行为，其方式更接近于操作设备。我们表明，界面场的存在显着改变了比几个石墨烯层更薄的电极中的电容，在很大程度上源于固有的空间电荷屏蔽限制。还发现电容对电极和溶剂（接触层）之间的间隙高度敏感，这提供了通过电解质的适当工程来调谐电极的界面电容的可能性。我们的研究结果提供了实验测量和固定带模型之间的差异的另一种解释，并为改进石墨烯基器件提供了具体的启示。
2014-10-03 cond-mat.mtrl-sci
Capacitance-Power-Hysteresis Trilemma in Nanoporous Supercapacitors
纳米多孔超级电容器是储能领域的重要参与者，填补了介电电容器和电池之间的空白。超级电容器开发的关键挑战是电容和功率传输之间的权衡。目前提高纳米多孔超级电容器电容的努力集中在减小孔径，使它们只能容纳单层离子。然而，这种紧密的包装损害了充电动力学，从而损害了功率密度。我们表明，通过分析理论和蒙特卡罗模拟，充电是敏感地依赖于离子的亲和力的孔，和高电容，可以得到的疏离子孔的宽度显着大于离子直径。我们的理论还预测，充电可以是滞后的，中间亲离子性的每个周期有显着的能量损失。我们使用这些意见，探讨参数制度中的电容功率磁滞三难可避免的。
2016-06-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Manganese Dioxide Decoration of Macroscopic Carbon Nanotube Fibers: From High-Performance Liquid-Based to All-Solid-State Supercapacitors
能够提供高电压、能量和功率密度但重量轻、体积占用小、柔性和机械坚固的超级电容器是非常令人感兴趣的，并且是便携式应用所需要的。在此，独立的柔性混合电极的基础上生长的宏观碳纳米管纤维（CNTf-MnO 2）的MnO 2纳米粒子制造，而不需要任何金属集流体。CNTf是一种具有良好导电性、机械稳定性和适当孔结构的载体，在优化的有机-水混合物中，通过电沉积制备多孔的ε-MnO 2纳米颗粒，并对其进行均匀修饰。这些修饰的纤维的电化学性能进行了评估，在不同的电解质，包括中性水溶液和纯的1-丁基-3-甲基吡咯烷鎓双（三氟甲基磺酰基）酰亚胺离子液体（PYR 14 TFSI）。这种比较有助于区分对总电容的各种贡献：（表面）法拉第和非法拉第过程，通过水性电解质改善润湿。因此，具有PYR 14 TFSI的对称超级电容器在3.0 V下产生36 Whkg_（MnO_2）^（-1）（16 Whkg-1，包括CNTf的重量）的高比能量和17 kWkg_（MnO_2）^（-1）（7.5 kWkg-1）的实际比功率，具有优异的循环稳定性。此外，使用基于PYR 14 TFSI的聚合物电解质制造柔性全固态超级电容器，表现出由总活性物质归一化的最大能量密度为21 Whkg-1和最大功率密度为8 kWkg-1。
2019-02-11 cond-mat.mtrl-sci
One-step fabrication of flexible, cost/time effective and high energy storage graphene-based supercapacitor
微尺寸和平面内超级电容器的进步导致在便携式和可弯曲电子产品中产生可折叠的能量存储装置。微型超级电容器具有独特的电化学性能，如高功率密度、快速充电、长循环寿命和高安全性。在微型超级电容器的制造过程中，缩短时间和降低成本是微制造技术的重要因素。在这项工作中，一个简单的，可扩展的和具有成本效益的制造叉指还原氧化石墨烯@聚苯胺柔性微型超级电容器。我们发现，在PET衬底上的交叉指型微电极图案的制造中，通过激光照射，氧化石墨烯的还原和导电聚合物的生长在一个步骤中同时快速进行。在0.035mA/cm 2电流密度下，电容为72 mF/cm 2。这些高电容微型超级电容器表现出良好的稳定性，并且在0.7mA/cm 2电流密度下1000次循环后保持超过93.5%的电容。
2020-01-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Machine Learning Relationships between Nanoporous Structures and Electrochemical Performance in MOF Supercapacitors
本研究构建了含数百种MOF电极的超级电容器数据库，用基于决策树的机器学习模型预测电容与充电速率，揭示了孔结构参数对电化学性能的调控机制，为高性能电极设计提供指导。
2025-01-16 cond-mat.mtrl-sci
Systematic investigation of capacitances in functionalized MXene supercapacitors $M_{n+1}C_nO_2$, $M=Ti,V,Nb,Mo$
本研究采用第一性原理电子结构方法，系统计算并分析 Ti、V、Nb、Mo 基原始与功能化 MXene 的三类电容来源，以揭示其原子尺度机制并解释实验结果。
2021-09-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
BaMF$_4$ (M = Mn, Co, Ni): New Electrode Materials for Hybrid Supercapacitor with Layered Polar Structure
为了追求基于具有氧化还原反应或吸附/脱附效应的法拉第电荷转移的超级电容器的高电化学性能，电解质离子到电极材料中的嵌入效率是具有额外体积贡献的超过纯表面容量的关键先决条件。在这里，我们报告了层状钡过渡金属氟化物，BaMF_4（M = Mn，Co，Ni）是一系列新的电极材料应用于标准的三电极配置。得益于电解质离子的有效浸润，这些材料具有显著的比电容。电化学表征表明，BaMF 4电极在循环伏安图中既表现出电容行为，又表现出法拉第氧化还原反应，并具有良好的充放电循环储电能力和循环稳定性。特别是BaCoF_4在电流密度为0.6 A g ~（-1）时，其比电容最高，达到360 F g ~（-1），即使其颗粒尺寸远远超过纳米级。此外，第一性原理计算揭示了可能的潜在机制。
2017-06-24 cond-mat.mtrl-sci
Route to Achieving Enhanced Quantum Capacitance in Functionalized Graphene based Supercapacitor Electrodes
我们已经研究了量子电容（$C_Q$）功能化的石墨烯，改性与广告原子从周期表中的不同群体。利用密度泛函理论（DFT）计算系统地分析了石墨烯在功能化后电子能带结构的变化以及随后的改性石墨烯的量子电容（$C_Q$）。我们观察到，通过在原始石墨烯表面中控制掺杂N、Cl和Pad原子，可以显著增强量子电容。这些ad原子在系统中表现为磁性杂质，在费米能附近产生局域态密度，这内在地增加了系统中的电荷（电子/空穴）载流子密度。结果，观察到非常高的量子电容。最后，对于Cl和N官能化石墨烯的$C_Q$的温度依赖性研究表明，CQ在接近室温的宽温度范围内保持非常高。
2019-06-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.app-ph
DyFeO3 electrode material with ultra-wide voltage window for aqueous symmetric supercapacitors
本研究采用DyFeO3作为电极材料制备水系对称超级电容器，通过在电解液中掺入乙腈将电压窗口扩展至3.1 V，实现了84.43 Wh/kg的高能量密度，并首次揭示了多孔DyFeO3在推进ASSCs方面的潜力。
2024-02-15 cond-mat.mtrl-sci
Enhancement of quantum capacitance in graphene electrodes by chemical modifications using aliphatic/aromatic molecules and their radicals
我们对功能化石墨烯的量子电容（C $_Q$）进行了系统的研究。石墨烯的功能化已经通过掺杂不同的脂肪族和芳香族分子及其自由基来完成。利用密度泛函理论计算，我们首先分析了功能化石墨烯的电子能带结构，随后得到了每个体系的量子电容。我们观察到通过在石墨烯片上掺杂脂肪族和芳香族分子及其自由基可以提高量子电容，特别是自由基功能化的石墨烯在C $_Q$中表现出显著的增强。我们的理论研究表明，芳香族和脂肪族自由基产生的费米能级附近的局域态密度，由于电荷本地化。结果，与原始石墨烯相比，已经估计了非常高的量子电容（高于200 $μF/cm^2$）。原子位错和空位缺陷在功能化过程中对石墨烯的影响也被纳入我们的研究。研究结果表明，在石墨烯功能化的同时形成分子自由基是合成高效石墨烯基超级电容器电极材料的有效途径，进而可以显著提高超级电容器的性能。
2019-12-18 cond-mat.mtrl-sci
Gas-phase functionalization of macroscopic carbon nanotube fiber fabrics: reaction control, electrochemical properties and use for flexible supercapacitors
定向碳纳米管（CNT）组装成纤维（CNTF）是开发和应用CNT独特的物理化学性质的一种方便的方法。CNT功能化已被广泛用于将其实现到复合材料和器件中。然而，CNTF功能化仍处于起步阶段，由于与CNTF形态保存相关的挑战。在这里，我们报告了一个彻底的研究CNTF织物的气相功能化，使用臭氧产生的原位从紫外线源。与基于液体的氧化方法相比，这种气相方法保留了CNTF的形态，同时显著增加了其亲水性。通过Raman、XPS、TEM和SEM对功能化材料进行了全面表征。其新获得的亲水性使CNTF在水介质中的电化学特性，这是不可能的原始材料。通过比较在水电解质和离子液体中的电化学测量，我们解耦了功能化对赝电容反应和量子电容的影响。功能化CNTF织物成功地用作具有基于离子液体的聚合物电解质的全固体超级电容器柔性装置中的活性物质和集流体。
2019-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Spaced TiO$_2$ Nanotube Arrays Allow for High Performance Hierarchical Supercapacitor Structure
在这项工作中，我们描述了氮化分级TiO $_2$纳米管作为超级电容器电极的合成和电化学性能。分级TiO $_2$纳米结构是通过在自组织间隔TiO $_2$纳米管上控制的逐层TiO 2纳米颗粒装饰形成的。这些结构然后在NH $_3$气氛中在升高的温度下退火，以将材料转化为氮化物结构-这大大增强了它们的电子传输特性。分级结构的面电容可以通过改变修饰的TiO $_2$纳米颗粒层的数量来调节。分级结构的电容增强达到最大值时，通过纳米颗粒沉积的表面积是最高的，通过氮化的导电性进行优化。
2020-04-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Structural and electrochemical properties of MnO2-Carbon based supercapacitor electrodes
我们目前的结果的方法，将氧化还原活性锰氧化物的碳干凝胶的三维多孔结构下自限制的无电条件。通过改变碳骨架的结构，我们发现氧化锰的沉积优选发生在碳干凝胶的外表面区域上。从我们的详细分析中，我们得出结论，三维碳干凝胶的颗粒和孔径范围从10到20 nm和低锰氧化物前体浓度与长沉积时间相结合，有利于快速操作的赝电容电极具有高电容和有效利用的氧化还原活性成分。
2014-11-23 cond-mat.mtrl-sci
Mesoscopic simulations of the in situ NMR spectra of porous carbon based supercapacitors: Electronic structure and adsorbent reorganisation effects
原位NMR光谱是一种研究碳基超级电容器中电荷存储机制的强大技术，这要归功于其区分吸附在多孔电极中的离子和分子物种与本体电解质中的离子和分子物种的能力。当外加电势差改变时，与吸附物种相对应的NMR峰显示出化学位移的明显变化。这种化学位移的变化被认为是源于孔隙中的离子重组和由于碳中电子密度的变化而引起的环电流位移的变化的组合。虽然以前的密度泛函理论计算表明，电子密度有很大的影响，这两种效应的相对贡献是具有挑战性的解开。在这里，我们使用介观模拟来模拟NMR光谱，并调查离子重组和环电流对所产生的化学位移的相对重要性。该模型是能够预测的化学位移与核磁共振实验，并表明环电流是占主导地位的贡献。详细的NMR实验已经报告了一个特定的电极/电解质组合的彻底分析，使我们能够确认，局部离子重组具有非常有限的影响，但不同大小的孔中的离子的相对量，这可能会改变充电/放电，可以导致一个显着的效果。我们的研究结果表明，超级电容器的原位NMR光谱可能会在未来提供对碳材料电子结构的见解。
2021-05-14 cond-mat.mtrl-sci
Electrochemical supercapacitor performance of SnO2 quantum dots
金属氧化物纳米结构广泛用于能源应用，如超级电容器和锂离子电池。在电化学操作过程中，较小尺寸的纳米晶比较大尺寸的纳米晶显示出更好的稳定性、低的离子扩散时间、高的离子通量和低的粉碎。研究更小尺寸的纳米晶体（如量子点）的独特性质可以提高对更好性能背后原因的理解，也有助于在不同应用中更有效地使用量子点或更小尺寸的纳米颗粒（NPs）。水稳定的纯SnO2量子点的组成稳定性和高表面体积比的电化学超级电容器材料进行了研究，并与尺寸为25 nm的较大尺寸的纳米粒子进行了比较。量子点的电子能量损失光谱研究表明，在体表面的主导作用。量子点的低频拉曼模式和缺陷拉曼模式的温度依赖性研究表明，在80 - 300 K的温度范围内，SnO2量子点没有明显的体积变化。这些高表面积和稳定的SnO2量子点的比电容仅显示出9%的损失，同时将扫描速率从20 mV/S增加到500 mV/S。在1000次充放电循环后，QD的电容损失小于2%，而对于25 nm SnO2 NPs，在1000次循环后电容损失为8%。QD中过量开放体积的可用性导致在电化学操作期间体积没有变化和良好的水稳定性，这归因于QD相对于较大尺寸的NP的更好性能。
2016-05-11 cond-mat.mtrl-sci
Transparent and flexible high-power supercapacitor based on carbon nanotube fibre aerogels
在这项工作中，我们报告了连续的透明和灵活的超级电容器的制造，通过沉积碳纳米管网络上的聚合物电解质膜直接从气凝胶的超长碳纳米管产生浮动在气相中。超级电容器结合了高透射率下的$1370 kW kg^{-1}$的记录功率密度（$ca. 70%$）、延长循环期间的高电化学稳定性（$>94%$电容保持超过$20 000 cycles$）以及抵抗重复的$180°$弯曲变形。与现有技术的基于石墨烯、CNT和rGO的透明超级电容器相比，它们表现出1-3个数量级的显著增强。这些特征主要源于CNT的异常长的长度，这使得材料表现为体导体而不是纵横比受限的导电网络，即使对于具有$>90%$透明度的电极也是如此。透明导体的电优值和电容优值分别为$FoMe = 2.7$和$FoMc = 0.46 F S^{-1} cm^{-2}$
2021-01-28 cond-mat.mtrl-sci
The impact of physicochemical features of carbon electrodes on the capacitive performance of supercapacitors: A machine learning approach
本研究利用机器学习算法分析碳电极物理化学特征对超级电容器电容性能的影响，基于147篇文献的4899条数据训练模型，发现极端梯度提升模型性能最优，并开发了开源估算应用，同时构建了相关大规模数据集。
2023-04-21 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Tunable capacitance in all-inkjet-printed nanosheet heterostructures
从二维构建块构建的异质结构已经显示出用于场效应晶体管、存储器器件、光传感器和其他电子应用的前景1，2。2D纳米片晶体可以使用逐层方法3构建成多层异质结构，但该方法不能用于制造大规模和厚的异质结构，因为该过程耗时且效率低。沉积不同二维材料的另一种方法是喷墨打印4 -7。在这里，我们展示了通过喷墨印刷Ti 3C 2 Tx MXene纳米片作为电极和氧化石墨烯纳米片作为固态电解质来制造纳米片超级电容器。捕获在氧化石墨烯片之间的自由水分子促进质子移动通过分层固体电解质8。所制成的超级电容器显示出与现有印刷超级电容器相当的高面积电容、良好的循环稳定性以及高面积能量和功率密度。此外，通过添加液体电解质可以进一步增加比电容。
2020-03-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Three-dimensional graphene skeletons supported nickel molybdate nanowire composite as novel ultralight electrode for supercapacitors
采用水热法在化学气相沉积法生长的三维石墨烯骨架上制备了NiMoO（$_{4}$）纳米线。X射线衍射和拉曼光谱结果表明，NiMoO $_{4}$为$α$相。这种无粘合剂的超轻石墨烯/ NiMoO $_{4}$复合材料用作超级电容器的正极。该电极在12 mA cm $^{-2}$下的比电容为1194 F g $^{-1}$，1000次循环后的循环效率为97.3%。此外，在1319 W kg $^{-1}$的稳定功率密度下，能量密度达到41 Wh kg $^{-1}$的能量密度。这些结果证明了所设计的复合材料在未来柔性和轻质储能方面的潜力。
2015-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Suppressed self-discharge of an aqueous supercapacitor using Earth-abundant materials
超级电容器（也称为静电双层电容器-EDLC）提供优异的功率存储容量和动力学，但遭受快速自放电。我们将沸石骨架引入到活性电容器电极中，目标是定制自由脱附能，从而定制超级电容器的自放电速率。使用低成本碳质材料和台式生产方法来制造超级电容器电极，其具有17.25 F g $^{-1}$的测量比电容、100%的库仑效率和通过恒电流充电/放电曲线测量确定的24小时内超过25%的电荷保持率。与没有沸石涂层的电极相比，该电荷保持率提高了$\sim$ 350%。
2020-06-03 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
On the development of an original mesoscopic model to predict the capacitive properties of carbon-carbon supercapacitors
我们报告了一个原始的介观晶格模型的发展，预测结构，动力学和电容性能的碳-碳超级电容器。该模型使用来自分子模拟的输入，例如自由能曲线来描述离子吸附，以及实验，例如晶格位点之间的跃迁的能量势垒。开发的模型比普通分子模拟快约10，000倍。我们将此模型应用于一组具有明确孔径的碳结构，并通过使用纯离子液体和乙腈基电解质进行模拟来研究溶剂化效应。我们表明，我们的模型是能够预测的吸附离子和电容量的范围内与实验值兼容。我们表明，有一个很强的依赖性上的孔径和溶剂的存在或不存在的计算性能。特别地，对于纯离子液体，对于较小的孔获得较大的电容，而对于有机电解质观察到相反的趋势。
2019-10-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Do specific ion effects influence the physical chemistry of aqueous graphene-based supercapacitors? Perspectives from multiscale QMMD simulations
特定的离子效应是否决定了水性石墨烯和石墨基超级电容器的电荷存储特性仍然是一个备受争议的话题。在这项工作中，我们提出了一个多尺度量子力学经典分子动力学调查的水溶液中的一元和二价盐电解质与完全极化带电石墨烯片。通过计算电化学双电层和量子电容，我们观察到一个恒定的电极比电容与阳离子半径和电荷。与直觉相反，我们确定阳离子吸附机制从内部到外部亥姆霍兹层的切换导致EDL电容的变化可以忽略不计，这似乎是由于石墨烯电极的稳健电子结构。然而，具有相对低的水合自由能的离子（如K+）穿透内亥姆霍兹平面并直接吸附在电极表面上的能力被发现减缓了它们平行于界面的扩散。外亥姆霍兹层中的离子被发现具有较高的扩散率在表面处，由于它们的位置在水层之间的离子通道。我们的研究结果表明，表面效应，如表面极化和部分脱水和局部结构的离子在表面上的阳离子的界面处的行为的基础上，并添加了一个重要的新的视角下看到的约束离子迁移率的趋势。
2022-11-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Joint Density-Functional Theory of the Electrode-Electrolyte Interface: Application to Fixed Electrode Potentials, Interfacial Capacitances, and Potentials of Zero Charge
这项工作探讨了使用联合密度泛函理论，一种新形式的密度泛函理论的从头计算描述的电子系统的热力学平衡与液体环境，描述电化学系统。在回顾了基本电化学概念的物理学之后，我们确定了通常测量的电化学可观测量和微观可计算量之间的映射，原则上，精确的理论框架。然后，我们引入一个简单的，计算效率高的近似功能，我们发现是相当成功的先验基本电化学现象，包括电容斯特恩和扩散的古伊查普曼地区的电化学双层，定量值的界面电容，和电化学电位的零电荷的一系列金属。我们探索表面充电与施加的电位，并能够把我们的从头计算结果直接与标准氢电极（SHE）的规模。最后，我们提供了明确的细节，在标准的密度泛函理论软件包内进行的标准计算在真空环境中可以忽略不计的计算成本。
2012-07-27 cond-mat.mtrl-sci
Remote Plasma Polymers of Iron (II) Phthalocyanine in Polyacrylonitrile-Derived Carbon Electrospun Fibers as Electrode for Supercapacitors
Materials Science Institute of Seville (CSIC-US)（塞维利亚材料科学研究所）；Queen Mary University of London（伦敦大学玛丽女王学院）；University of Seville（塞维利亚大学）
利用远程等离子体聚合技术，在碳纳米纤维中整合铁（II）酞菁，制备高性能超级电容器电极，实现高比电容和优异循环稳定性。
2026-03-04 cond-mat.mtrl-sci
Wettability and sp2/sp3 ratio effects on supercapacitor performance of N-doped hydrogenated amorphous Carbon Nanofoam
本研究通过真空退火调控 N 掺杂无定形碳纳米泡沫的润湿性与 sp2/sp3 比例，使其比电容提升约50倍，并结合原位拉曼-电化学测量解释了比电容随扫描速率增加的活化机制。
2025-07-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Comparison of the electrochemical performance of CeO2 and rare earth-based mixed metallic oxide (Ce0.9Zr0.1O2) for supercapacitor applications
采用溶胶-凝胶法制备了CeO 2和Ce0.9Zr0.1O2材料，研究并比较了它们在超级电容器中的电化学性能。通过XRD、SEM和EDX对CeO 2和Ce0.9Zr0.1O2进行了结构、形貌和元素研究。采用循环伏安法、恒流充放电和电化学阻抗谱技术研究了这些材料的电化学性能。掺杂增强了电极的电化学性能，通过提高掺杂体系在2 mV s-1下在2 mol L-1 KOH电解质溶液中对Ag/AgCl参比电极的比电容（~ 150%，从96 F g-1提高到243 F g-1）。Ce0.9Zr0.1O2在电流密度增加10倍的情况下仅表现出约30%的电容退化。Ce0.9Zr0.1O2在800次循环后也显示出16%的电容退化，在2 A g-1电流密度下具有优异的库仑效率（~100%）。用Zr 4+离子（0.84 μ m）部分取代Ce 4+离子（0.97 μ m）导致晶格参数减小，如Rietveld精修所证实的。Ce_（0.9）Zr_（0.1）O_2具有良好的能量和功率密度，分别为1.128Wh·kg ~（-1）和112.5W·kg ~（-1）。此外，Ce0.9Zr0.1O2在KOH电解质中更好的扩散性（使用基于Randles-Sevcik方程的分析表示）与更好的电化学性能相关。这里提出的这些见解清楚地表明，Zr掺杂到CeO 2中导致电化学和超级电容应用的有前途的候选材料。
2021-01-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Battery-like Supercapacitors from Vertically Aligned Carbon Nanofibers Coated Diamond: Design and Demonstrator
类电池超级电容器具有高功率和能量密度以及长期电容保持性。因此，所使用的电容器电极最好具有大的表面积、高导电性、高稳定性，并且重要的是不含粘合剂。本文中，采用垂直排列的碳纳米纤维（CNF）涂覆的掺硼金刚石（BDD）作为电容器电极来构造电池状超级电容器。通过热化学气相沉积技术生长，这些CNFs/BDD杂化膜是无粘结剂的并且具有多孔结构，导致大的表面积。同时，石墨烯层和铜金属催化剂在CNFs/BDD中的包含导致其高导电性。然后分别在惰性电解质（1.0 M H2SO 4溶液）和氧化还原活性电解质（1.0 M Na 2SO 4 + 0.05 M Fe（CN）63-/4-）中构建双电层电容器（EDLC）和伪电容器（PC）。对于组装的双电极对称超级电容器器件，EDLC和PC器件的电容在10 mV s-1下分别达到30和48 mF cm-2。即使在10000次循环后，它们仍保持不变。EDLC和PC装置的功率密度分别为27.3 kW kg-1和25.3 kW kg-1，其能量密度分别为22.9 Wh kg-1和44.1 Wh kg-1。形成的EDLC和PC装置的性能与市场上可获得的电池相当。因此，垂直排列的CNF/BDD杂化膜是一种合适的电容器电极材料，用于构建用于柔性功率器件的高性能电池类和工业导向的超级电容器。
2018-01-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Low-density functionalized amorphous carbon nanofoam as binder-free Supercapacitor electrode
通过室温脉冲激光沉积法制备低密度非晶碳纳米泡沫及氮功能化衍生材料作为无粘结剂超级电容器电极，氮掺杂样品展现出更高的面电容、电容保持率及10000次循环98%的优异稳定性。
2025-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Hybrid Multi-Walled Carbon Nanotube TiO2 Electrode Material for Next Generation Energy Storage Devices
目前的超级电容器存在严重抑制能量存储装置的效率、功率和电容的若干明显限制。超级电容器呈现出令人兴奋的前景，在可再生能源存储和现代电子设备中有无数的应用。近年来，碳纳米管（CNTs）的发展令人振奋，在电极开发中显示了优势。然而，CNT对于其增加的电极表面积是有益的，但是在导电性和电极密度方面具有严重的限制。从过渡金属氧化物和碳纳米管阵列中创造出纳米复合材料混合物将有助于现代超级电容器的当前限制。选择TiO 2是因为它在日常材料中常见，并且具有良好的电容水平。通过CCVD在SiO2前驱体上生长了多壁碳纳米管阵列。然后通过RF溅射方法将过渡金属氧化物沉积到MWCNT阵列上。使用扫描电容显微镜（SCM）进行充电测试和表征。虽然这些测试是初步的，但这种新型混合电极代表了电化学能量存储效率未来的令人兴奋的前景，以及向全球提供廉价能量存储解决方案的未来的进步。
2016-05-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Optically Controlled Supercapacitors with Semiconductor Embedded Active Carbon Electrodes
超级电容器，S-C -利用电极和电解质之间界面处的大电容的电容器-已经发现了许多短期能源应用。我们集中在这里的光诱导，电和热效应。平行板电池由两个透明电极（ITO）制成，每个透明电极覆盖有嵌入式电容器的活性碳（A-C）层。虽然A-C看起来是黑色的，但它不是一个理想的黑体吸收体，它不加选择地吸收所有光谱光。除了相对平坦的光学吸收背景外，A-C还表现出两个不同的吸收带：近红外和蓝光。第一个可能是由于OH-基团的吸收，后者，通过散射，可能是由表面等离子体。在这里，亚微米尺寸的SiC颗粒嵌入在A-C电极的光学和热效应，提出。与纳米Si颗粒类似，SiC表现出蓝带吸收，但不太可能氧化。使用充电-放电（CD）实验，相对光学相关的电容增加可以高达~34%（当考虑照明面积时为68%）。随着被照射的样品变得更热，注意到电容增加。使用CD实验，这种热效应占总体相对变化的20%。当用CdSe/ZnS量子点取代SiC颗粒时，热效应很大，后者的热效应为35%，而光学效应为10%。当分析光学效应时，可以考虑两个过程：半导体粒子的电离和电池终端下的电荷位移-偶极效应。我们的模型表明，电容的增加是有关的光诱导偶极子。
2021-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Role of porosity and diffusion coefficient in porous electrode used in supercapacitors- Correlating theoretical and experimental studies
多孔电极正迅速成为下一代超级电容器的重要组成部分。使用多孔结构的Co 3 O 4，Mn 3 O 4，α Fe 2 O3，和碳，它们的优点超过固体对应物是明确成立的。多孔结构中的改进的性能与增强的活性比表面和直接通道相关，从而导致改进的电解质与氧化还原活性位点的相互作用。利用菲克定律的理论模型，提出了一个可以一致地解释实验数据。由于较高的扩散系数，多孔结构表现出比电容增加近50 - 80%，以及高倍率性能和优异的循环稳定性。
2022-01-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
LPC3D: An Enhanced Parallel Software for Large-Scale Simulation of Adsorption in Porous Carbons and Supercapacitors
University of Stuttgart（斯图加特大学）；Université de Toulouse（图卢兹大学）
LPC3D软件通过并行计算模拟多孔碳材料和超级电容器的吸附过程，研究微观结构对吸附及光谱特性的影响。
2026-03-23 cond-mat.mtrl-sci
A pseudo-capacitive chalcogenide-based electrode with dense 1-dimensional nanoarrays for enhanced energy density in asymmetric supercapacitors
超级电容器作为下一代储能系统受到广泛关注，为了实现超级电容器的进一步发展，合理设计具有更好电化学结构的活性电极材料是提高超级电容器高比能量和功率密度性能的重要因素之一。我们提出并成功地生长硫化铜（CuS）纳米线（NWs）作为硫族化合物为基础的电极材料直接在铜网集流体使用一个简单的液-固化学氧化过程和阴离子交换反应的组合。我们发现，所制备的CuS纳米线具有良好的阵列结构与纳米尺寸的晶粒，高的纵横比和密度，以及良好的机械和电气接触的铜网。所获得的CuS NW基电极，与额外的粘合剂和导电材料的自由，表现出高得多的面积电容378.0 mF/cm 2和优良的循环性能的约90.2%的保留在2000充电/放电循环，由于其独特的结构，电气和电化学性能。此外，对于实际的SC应用，非对称超级电容器是使用活性炭作为阳极和CuS纳米线作为阴极，并表现出良好的电容保持率的91%，在2000充电/放电过程中和优异的体积能量密度的1.11 mW h/cm 3相比，其他报道的赝电容SC。
2019-05-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Controlled electrochemical functionalization of CNT fibers: structure-chemistry relations and application in current collector-free all-solid supercapacitors
纳米碳的化学官能化是通过产生具有额外法拉第贡献的表面官能团、通过增加它们的表面积和相应的电容贡献以及通过改善与水性电解质和其它活性材料（例如赝电容金属氧化物）的相容性来产生具有更高能量/功率密度的电化学系统的重要策略。在这里，我们提出了一种电化学方法，同时溶胀和功能化的碳纳米管，使材料亲水性的宏观纤维织物组成的大电极，并产生比电容和能量密度在水性电解质的大幅增加。通过拉曼光谱、透射电子显微镜、X射线光电子能谱（XPS）和小角X射线散射（SAXS）对碳纳米管纤维（CNTF）进行深入表征，我们确定了对这种改进的各种贡献，包括表面氧化、管状解链、解束和束间溶胀。通过分析极性和非极性液体在电极中的扩散动力学，确定功能化CNTF的亲水性变化。提取的接触角和极性和色散的表面能成分为不同的处理条件下是一致的偶极距的变化通过XPS获得。最后，功能化CNTF电极中采用的电流收集器自由固体柔性超级电容器，这表明增强的电化学性能相比，所产生的疏水性。
2020-08-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Effects of Chemical and magnetic disorder on the electrochemical properties of V$_{2-x}$Mn$_{x}$CO$_{2}$} MXene electrodes
本文通过第一性原理计算系统研究了V$_{2-x}$Mn$_{x}$CO$_{2}$ MXene中化学与磁无序对电容的影响，发现表面磁结构可显著影响氧化还原电荷转移，为设计磁性超级电容器电极提供了新思路。
2023-05-27 cond-mat.mtrl-sci
Piecewise Non-Linearity and Capacitance in the Joint Density Functional Theory of Extended Interfaces
在密度泛函理论（DFT）的框架下，带电界面的从头算模拟被广泛应用于电化学能量转换过程的研究。电容是电化学界面响应的主要描述符。它基本上等于作为电子数的函数的能量曲率的倒数，并且因此出现与DFT中分段线性的基本原理的冲突，该基本原理要求能量曲率在分数电子数处为零，即几乎处处为零。为了解决这一矛盾，我们推导出了能量曲率与Kohn-Sham态密度、局域态密度和Fukui势之间的精确表达式。我们发现，分段线性的要求并不适用于扩展系统和表面的体积或面积比能量。应用于电极-电解质界面的联合密度泛函理论，包括电解质的离子和介电响应，相同的表达式表示用于将总界面电容划分为量子电容、空间电荷电容和电化学双层电容的贡献的严格基础。它提供了深入了解电极材料，厚度和温度对充电特性的影响，如大块金电极，单层金电极和单层石墨烯电极的结果所示。
2021-04-10 cond-mat.mtrl-sci
Electrochemical Capacitance of CO-terminated Pt(111) is Dominated by CO-Solvent Gap
电化学双层内的电场分布以复杂的方式取决于电极和电解质。这些领域强烈影响电极-电解质界面的化学动力学，但不能直接测量亚分子分辨率。我们报道了CO封端的Pt（111）水界面的电容测量实验。通过比较这些测量与第一性原理密度泛函理论（DFT）的计算，我们推断微观场分布和分解的贡献，从各个空间区域的接口的逆电容。我们发现，CO是强烈的电子耦合到Pt，和大部分的界面电势差出现在终止O和水之间的间隙，而不是整个CO分子如先前假设的。这种“间隙电容”导致疏水终止降低了水Pt-CO界面的总电容，并使其对电解质浓度不太敏感相比，裸金属。
2017-10-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Improved charge storage capacity of supercapacitor electrodes by engineering surfaces: the case of Janus MXenes
本研究通过密度泛函理论结合溶剂化模型，探究三种氧钝化Janus MXenes作为酸性超级电容器电极的性能，发现其表面氧化还原活性增强、电荷存储能力显著提升，为高功率密度储能器件提供了新途径。
2023-10-10 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Influence of solvation on the structural and capacitive properties of electrical double layer capacitors
我们使用分子动力学模拟来探索非离子溶剂对基于离子液体电解质和碳电极的超级电容器的结构和电容特性的影响。研究的重点是两种纯离子液体，即1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，以及它们在乙腈中的1.5 M溶液。由粗粒模型表示的电解质封闭在石墨电极之间。我们采用恒电位的方法，使我们能够深入了解溶剂化对电极极化的影响，以及在界面处的电解质的结构和电容特性。我们表明，界面特性，不同的两种不同的纯离子液体，与乙腈混合后变得非常相似。
2013-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Computational studies on electrochemical performances of doped and substituted $Ti_3C_2O_2$ MXene
利用密度泛函理论（DFT）结合溶剂化模型，研究了电极表面的电极-电解质相互作用现象及其对掺杂和取代氧功能化Ti $_{3}$ C $_{2}$超级电容器电极的电荷储存和总电容等电化学性质的影响.本文研究了氮掺杂、氮取代和钼取代的Mxen在酸性电解质H $_{2}$ SO $_{4}$溶液中的反应。通过考虑在不同位置的氮掺杂，我们发现，最大的电容是在功能位掺杂。我们的结果与现有的实验结果吻合得很好。我们还发现，由于氮掺杂的电容的增强是由于在pseudocapcitances放大。我们认为氮掺杂导致电容值提高的主要机制是表面氧化还原活性。另一方面，与原始系统相比，替代系统的性能降低。这表明仅通过掺杂可以获得Ti $_3$ C $_{2}$ O $_{2}$电极中更好的存储容量。我们提供的洞察背后的对比行为的掺杂和取代系统的原因，并建议如何进一步提高掺杂系统中的电容。
2022-04-19 cond-mat.mtrl-sci
Constant Chemical Potential-Quantum Mechanical-Molecular Dynamics simulations of the Graphene-electrolyte double layer
本文提出将恒电势分子动力学（CμMD）与量子力学分子动力学（QMMD）耦合为CμQMMD模型，用于模拟带电石墨烯电极与不同浓度电解质溶液的双电层，揭示了离子吸附与团簇等微观机制及其对电荷存储和脱盐的意义。
2022-12-09 cond-mat.mtrl-sci
Interfacial Thermal Transport and Electrical Performance of Supercapacitors with Graphene/Carbon Nanotube Composite Electrodes
本研究采用恒电势和恒电荷分子动力学模拟，分析了石墨烯/碳纳米管复合电极的界面热传输与电学性能，发现水平堆叠的多层 CNT 排列为最优电极结构，为高效超级电容器设计提供了指导。
2023-11-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
When supporting electrolyte matters - tuning capacitive response of graphene oxide via electrochemical reduction in alkali and alkaline earth metal chlorides
调节氧化石墨烯（GO）的电荷存储性质的能力对于能量转换应用是极其重要的。在这里，我们表明，GO的电化学还原对溶液中存在的阳离子高度敏感。GO在碱金属氯化物溶液中比在碱土金属氯化物中在更低的电势下被还原。在还原过程中，GO的电容从10倍增加到70倍。还原GO的最大电容在65和130 F g-1之间，这取决于电解质和导电添加剂的存在。我们建议，在还原过程中的阳离子与GO的氧官能团的不同的相互作用是负责所观察到的效果。
2018-09-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ion-modulated structure, proton transfer, and capacitance in the Pt(111)/water electric double layer
提出结合长程静电的机器学习原子间势框架，模拟Pt(111)/水电解质界面，揭示惰性离子通过屏蔽电场和减缓质子转移影响电容与反应性，为电解质设计提供分子基础。
2025-09-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
One-step Pulsed Laser Deposition of Metal oxynitride/Carbon Composites for Supercapacitor Application
本文提出一步脉冲激光沉积法共烧蚀钛、氮化钒与石墨靶材，室温下合成碳/金属比和氧/氮比可调的三维多孔碳-金属氮氧化物纳米复合电极，并验证其作为无粘结剂超级电容器电极的电荷存储性能。
2024-08-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Quantum Capacitance Modifies Interionic Interactions in Semiconducting Nanopores
由低维半导体材料制成的纳米孔，如碳纳米管和石墨烯狭缝孔，用于超级电容器。在其操作的理论和模拟中，通常假设这样的孔像金属孔一样屏蔽离子-离子相互作用，即屏蔽导致离子分离的相互作用电势的指数衰减。通过引入一个量子电容，占在材料中的状态密度，我们表明，在碳纳米管和石墨烯狭缝孔的离子-离子相互作用实际上衰减代数与离子分离。这一结果提出了一种基于调整孔的电子结构的电容优化的新途径：通过开发用金属材料或大块半金属材料制成的纳米孔，可以实现电容的显着增强。
2016-06-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
