1. Carbon-carbon supercapacitors: Beyond the average pore size or how electrolyte confinement and inaccessible pores affect the capacitance
- Author
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Céline Merlet, Patrice Simon, El Hassane Lahrar, Centre interuniversitaire de recherche et d'ingenierie des matériaux (CIRIMAT), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC), Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Université de Nantes (UN)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM), Centre National de la Recherche Scientifique - CNRS (FRANCE), Collège de France (FRANCE), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - ENSCP (FRANCE), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier - ENSCM (FRANCE), Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE), Institut polytechnique de Grenoble (FRANCE), Université Paris Sciences & Lettres - PSL (FRANCE), Sorbonne Université (FRANCE), Université Grenoble Alpes - UGA (FRANCE), Université Toulouse III - Paul Sabatier - UT3 (FRANCE), Université de Nantes (FRANCE), Université de Picardie Jules Verne (FRANCE), Université de Pau et des Pays de l'Adour - UPPA (FRANCE), Université de Haute Alsace - UHA (FRANCE), Université de Montpellier (FRANCE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT), Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), and Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
- Subjects
Energie électrique ,Materials science ,Matériaux ,FOS: Physical sciences ,General Physics and Astronomy ,chemistry.chemical_element ,02 engineering and technology ,Electrolyte ,010402 general chemistry ,7. Clean energy ,01 natural sciences ,Capacitance ,Adsorption ,Physical and Theoretical Chemistry ,Supercapacitor ,Condensed Matter - Materials Science ,Nanoporous ,Reinforced carbon–carbon ,Materials Science (cond-mat.mtrl-sci) ,021001 nanoscience & nanotechnology ,0104 chemical sciences ,[CHIM.THEO]Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry ,chemistry ,Chemical physics ,0210 nano-technology ,Porous medium ,Carbon - Abstract
International audience; Carbon-carbon supercapacitors are high power electrochemical energy storage systems which store energy through reversible ion adsorption at the electrode-electrolyte interface. Due to the complex structure of the porous carbons used as electrodes, extracting structure-property relationships in these systems remains a challenge. In this work, we conduct molecular simulations of two model supercapacitors based on nanoporous electrodes with the same average pore size, a property often used when comparing porous materials, but different morphologies. We show that the carbon with the more ordered structure, with a well defined pore size, has a much higher capacitance than the carbon with the more disordered structure, and broader pore size distribution. We analyze the structure of the confined electrolyte and show that the ions adsorbed in the ordered carbon are present in larger quantities and are also more confined than for the disordered carbon. Both aspects favor a better charge separation and thus a larger capacitance. In addition, the disordered electrodes contain a significant amount of carbon atoms which are never in contact with the electrolyte, carry a close to zero charge and are thus not involved in the charge storage. The total quantities of adsorbed ions and degrees of confinement do not change much with the applied potential and as such, this work opens the door to computationally tractable screening strategies.
- Published
- 2021
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