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  超級電容器是電化學(xué)儲能設(shè)備的重要組成部分，具有功率密度高、循環(huán)壽命長、溫度區(qū)間寬和安全環(huán)保等優(yōu)異特征，涵蓋新能源集成網(wǎng)絡(luò)、快速制動能量回收系統(tǒng)、消費類電子產(chǎn)品和國防設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域。但是，超級電容器的低能量密度，嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展。高能量密度和高功率密度（“雙高”）超級電容器的設(shè)計是亟待解決的世界科技前沿的熱點和難點之一。截至目前，超級電容器的重要組成部分—雙電層電容器的能量密度（~10Wh/kg）仍遠(yuǎn)小于其市場拓展需求值（~20Wh/kg）。目前，“雙高”超級電容器尚未取得實質(zhì)性突破，如何提高能量密度是超級電容器設(shè)計面臨的一個重要挑戰(zhàn)。此外，電化學(xué)儲能設(shè)備的關(guān)鍵科學(xué)問題—能量密度和功率密度“此消彼長、相互掣肘”的競爭關(guān)系，進一步加大了“雙高”超級電容器的設(shè)計難度。從分子尺度上理解能量密度和功率密度的微觀儲能機制是一個關(guān)鍵的基礎(chǔ)科學(xué)問題。

  中國科學(xué)院化學(xué)研究所江劍研究員及其博士后卿樂英，在上述背景下開展了一系列的工作，改進和完善了聚電解質(zhì)密度泛函理論，實現(xiàn)了準(zhǔn)確高效的高通量計算，發(fā)現(xiàn)了聚電解質(zhì)刷在高性能超級電容器設(shè)計中的重要潛力，有望實現(xiàn)“雙高”超級電容器的設(shè)計。相應(yīng)成果發(fā)表在JPCL、JCP和ACS Nano上。其工作獲得國家自然科學(xué)基金青年基金（B03）、面上基金（B03），以及北京分子科學(xué)國家研究中心的大力支持。具體介紹如下：

圖1 離子的非對稱尺寸效應(yīng)，實現(xiàn) “快充電、強儲能” 的超預(yù)期現(xiàn)象。

  因此，江劍研究員團隊在其自主研發(fā)Atif軟件（適用于非均勻復(fù)雜流體體系）基礎(chǔ)上，將經(jīng)典密度泛函理論的應(yīng)用范圍推廣到界面接枝聚電解質(zhì)刷體系，并與蒙特卡洛模擬（MC）和分子動力學(xué)模擬（MD）結(jié)果對比，嚴(yán)格證明了其理論方法的正確性和適用性（如圖 2 所示）。（J. Chem. Phys. 2022, 157, 224904） 

圖2 理論創(chuàng)新，準(zhǔn)確預(yù)測界面接枝聚電解質(zhì)刷的微觀結(jié)構(gòu)。

  論文鏈接：

1)Double-Edged Sword of Ion-Size Asymmetry in Energy Storage of Supercapacitors. 

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.1c03900;

2)Interfacial microstructure of neutral and charged polymer brushes: A density functional theory study.

https://pubs.aip.org/aip/jcp/article/157/22/224904/2842676;

3)Enabling High-Capacitance Supercapacitors by Polyelectrolyte Brushes. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c04824.

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