约瑟夫·麦克道尔曾经说过化学是电子玩的游戏”。如果一个人知道他们的角色，他们就可以控制游戏，揭开物质的奥秘，这是我们现代文明的支柱。为此，储能平台是阻碍电子设备高效利用的瓶颈。然而，迄今为止的报告都是基于猜猜看电极材料和电解质的选择，而材料的使用设计和材料-电解质界面设计都没有得到广泛的应用。计算预测在超级电容器器件材料设计中的有限应用可能是由于各种各样的计算工具使得在每种情况下为正确的材料选择正确的方法变得困难。本文提供了对现有文献的全面分析，并用于为研究人员提供路线图，以指导他们选择最佳的DFT描述符来筛选用作超级电容器电极的材料。官方manbetx手机版

图1所示。超级电容器电极的各种电荷存储机制。

材料通过不同的存储机制存储电荷，如图1所示。材料的带电表面和电解质离子之间的静电吸引称为双电层(EDL)电容。EDL电容取决于表面积、孔径、电解质离子大小、电解质离子的迁移率和材料/电解质界面电阻。然而，如果材料表现出如电解质离子在材料内/外的快速插层或表面氧化还原反应的扩散等faradic行为，这将导致pseudocapacitance。第三种电荷储存机制被称为强度其中电极材料在氧化还原反应方面经历一个faradic过程。类电池材料中氧化还原反应的可逆性和性质将为电极材料的循环稳定性提供见解。此外，为了设计更好的电极，还研究了杂化材料(faradic和non-faradic)。

有些性质的计算不需要深入的电子学考虑，只要对系统进行经典处理就能得到准确的结果。cDFT被认为是eDFT的类比，可以成功地应用于经典系统。cDFT可用于预测多孔结构的特性。Evans等人展示了一种基于cdft的模型，通过理论吸附等温线来预测孔隙结构特征，其中比表面积、孔体积、孔径和孔径分布可以通过吸附拟合来估计。计算理论等温线主要有两种近似方法，非局部离散傅立叶变换(NLDFT)和淬火固体离散傅立叶变换(QSDFT)。与QSDFT和实验结果相比，NLDFT通常高估了孔隙体积和比表面积。此外，cDFT还可用于预测电极/电解质界面的特性。粗粒经典DFT (CGDFT)模型将电解质中的离子视为带电硬球，溶剂分子视为硬球二聚体。EDL电容可以用表面电荷密度对表面电位的导数来计算。CGDFT可以用来提供对EDL电容对孔径的依赖性的见解。

图2所示。路线图利用DFT选择超级电容器电极材料。

电子DFT (eDFT)也可以提供信息，帮助选择最佳的电极材料。eDFT可以估计材料的带隙，从而了解半导体的电阻。此外，eDFT可以预测离子在电极表面的结合能。此外，DFT还能准确预测最高已占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)。HOMO表示分子的阳极极限和电离能，LUMO表示分子的阴极极限和电子亲和能。量子电容是可以用DFT预测的最重要的性质之一。量子电容表示电极材料对EDL界面处亥姆霍兹层电容的贡献，这是由电极的电子响应引起的。最后，联合DFT (JDFT)可以结合经典DFT和电子DFT来预测超级电容器电极材料的整体性能。图2给出了使用不同DFT路径来预测电极材料性能的路线图。

Basant A. Ali, Nageh K. Allam
开罗美国大学科学与工程学院能源材料实验室，埃及新开罗11835

出版

设计高效超级电容器电极材料的第一性原理路线图和限制
Basant A Ali, Nageh K Allam报道
2019年8月15日

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