電力儲存系統(tǒng)在過去的幾十年中得到了科學(xué)界的巨大關(guān)注，這是因為在我們的日常生活中電力的廣泛使用以及不可替代的作用。電池由于較高的性能與適宜的價格在近些年已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，超級電容器，也就是人們所熟知的雙電層電容器，在電力儲存市場與科研領(lǐng)域扮演者越來越重要的角色。超級電容器在快速能量傳輸與收集中具有極大的優(yōu)勢，但其較低的能量密度始終無法令人滿意，因此，在保證功率密度的同時提高超級電容器的能量密度是十分重要的。

與電池類似，一個超級電容器器件的電化學(xué)性能主要由其電極和電解液來決定。在電極方面，最近的研究已經(jīng)證明了過渡金屬基材料，低維系統(tǒng)材料是電力儲存系統(tǒng)優(yōu)異的電極材料，這得益于其卓越的電學(xué)性能以及多元氧化狀態(tài)等等。二維過渡金屬碳化物和氮化物，也就是MXenes，是這類材料的典型代表，因MXene層間較弱的反應(yīng)與表面親水性官能團的存在，電解液離子可以很容易地插入到MXenes當(dāng)中，極大地提升了電化學(xué)性能。與傳統(tǒng)的過渡金屬氧化物，導(dǎo)電聚合物以及氧化活性有機分子相比，MXene電極不僅具有可觀的容量還具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。

選擇合適的電極/電解液界面對于實現(xiàn)高能量密度的電力儲存器件非常重要，大量的實驗研究都聚焦于MXenes與不同電解液匹配時的儲能機理。在眾多的計算方法當(dāng)中，分子動力學(xué)（MD）模擬在深度探索儲能機理以及超級電容器設(shè)計中是更有效的方式。

最近，法國圖盧茲大學(xué)Patrice Simon教授與Céline Merlet教授在在國際高水平學(xué)術(shù)期刊?Energy Storage Materials上發(fā)表題目為：?Effects of functional groups and anion size on the charging mechanisms in layered electrode materials的研究論文，系統(tǒng)深入地通過分子動力學(xué)模擬研究了官能團與陰離子尺寸對電荷儲存的影響。?

圖1.典型的基于MXene的模擬。

圖2.?本文所研究的電解液離子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖3.?本文所研究的所有體系的相對體積膨脹與收縮。

圖4.?不同電極材料與電解液的初始平衡層間距。

圖5.?充放電過程中石墨烯與Ti3C2F2電極的離子數(shù)量演變。

圖6.?本文所研究所有體系在最大充電狀態(tài)下的嵌入與嵌出比例。

圖7.?所研究體系不同自由能比較。

本文使用分子動力學(xué)模擬方法，系統(tǒng)地研究了官能團對于陰離子尺寸對電荷儲存的影響。研究了典型的二維材料，石墨烯以及三種MXenes（Ti3C2F2，Ti3C2O2， Ti3C2(OH)2）與五種不同的離子液體。研究發(fā)現(xiàn)，對于所有的電極材料與電解液來說，電極帶負電時會膨脹，并且對陰離子類型的依賴性不大。當(dāng)電極帶正電時，體積變化更加復(fù)雜，而陰離子大小沒有任何特定趨勢。在一些特定的情況下，例如對于FSI-和TFSI-，離子的重定向也會影響層間體積。模擬結(jié)果表明，帶電機制（嵌入，交換，嵌出）隨陰離子大小而不斷變化，在中性條件下與電極表面密切相關(guān)。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.08.030

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