近日，我院助理教授莫唐明发展了多孔电极的跨尺度模拟方法，阐明了多孔石墨炔电极超级电容器的能量储存机理，预测了兼具高能量高功率的新电极材料，为高性能超级电容器的研发提供了新理论、新思路与新方案。该成果以《多孔石墨炔超级电容器能量储存机理：孔拓扑结构与电极金属性的影响》（Energy Storage Mechanism in Supercapacitors with Porous Graphdiynes: Effects of pore topology and electrode metallicity）为题，发表在材料科学领域顶刊《先进材料》（Advanced Materials）。莫唐明老师是该论文的共同第一作者。
超级电容器具有充电快、功率高等优点，在新能源汽车、国防军事等领域的储能中扮演着重要角色。但与电池相比，如何在维持其高功率密度的同时提升能量密度是当前超级电容器研发的痛点。常见的多孔电极材料（如活性炭、碳化物衍生碳等）可以增加超级电容器的能量密度，但其无序的离子通道降低了其功率密度；导电多孔二维材料具有周期性的晶体结构和有序的离子通道，有助于提高超级电容器的充电速度和功率密度，但其比表面积值还相对较低，因此限制了超级电容器的能量密度；氢取代石墨二炔是一种新型的多孔二维材料，具有比表面积大、物理性质稳定等优点；多孔石墨炔独特的sp和sp2的碳杂化轨道使其具有可调节的电子结构和孔道结构，为超级电容器的机理研究与性能优化提供了理想的平台，因此在能源储存领域具有广阔的应用前景。目前研究表明，氢取代石墨二炔具有不同的堆叠方式和不同的金属性，将会深刻影响超级电容器的储能性能，但对这些拓扑结构与金属性所产生的具体影响及其机理还不清晰，目前需要学界深入探索。
针对上述问题，莫唐明老师及其团队结合第一性原理、等电势分子动力学模拟和传输线模型，以多孔石墨炔为例，探究了二维电极材料的堆叠方式和金属性对超级电容器能量储存的影响及其作用机理。模拟揭示电极孔壁更为粗糙的AB堆叠结构（形成曲里拐弯的纳米孔），相对于AA堆叠结构（形成直筒状的纳米孔），能使孔内形成更强的超离子态，以此增加孔内自由离子比例有利于阴阳离子对的解耦与离子传输，可实现在提升电容的同时降低内阻。该成果进一步预测出氮或硼掺杂能将多孔石墨炔由半导体转化为导体，从而极大地提高电极的量子电容，兼具高能量高功率密度，为高性能超级电容器的研发提供了新选择。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301118
