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Carbons with Regular Pore Geometry Yield Fundamental Insights into Supercapacitor Charge Storage

Authors :
Berend Smit
Yifei Michelle Liu
Céline Merlet
Department of Chemical & Biomolecular Engineering [Berkeley] (CBE)
University of California [Berkeley] (UC Berkeley)
University of California (UC)-University of California (UC)
Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques (ISIC)
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
Centre interuniversitaire de recherche et d'ingenierie des matériaux (CIRIMAT)
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)
Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E)
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 )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
University of California [Berkeley]
University of California-University of California
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)
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 Polytechnique Fédérale de Lausanne - EPFL (SWITZERLAND)
Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier - ENSCM (FRANCE)
Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT (FRANCE)
Institut polytechnique de Grenoble (FRANCE)
Sorbonne Université (FRANCE)
Université Toulouse III - Paul Sabatier - UT3 (FRANCE)
Université de Nantes (FRANCE)
Université de Picardie Jules Verne (FRANCE)
University of California - UC Berkeley (USA)
Université de Pau et des Pays de l'Adour - UPPA (FRANCE)
Université de Haute Alsace - UHA (FRANCE)
Université de Montpellier (FRANCE)
Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques (Lausanne, Switzerland)
Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE)
Source :
ACS Central Science, ACS Central Science, 2019, 5 (11), pp.1813. ⟨10.1021/acscentsci.9b00800⟩, ACS Central Science, ACS Publications, 2019, 5 (11), pp.1813. ⟨10.1021/acscentsci.9b00800⟩, ACS central science, vol 5, iss 11, ACS Central Science, Vol 5, Iss 11, Pp 1813-1823 (2019)
Publication Year :
2019
Publisher :
HAL CCSD, 2019.

Abstract

We conduct molecular dynamics simulations of electrical double-layer capacitors (EDLCs) using a library of ordered, porous carbon electrode materials called zeolite templated carbons (ZTCs). The well-defined pore shapes of the ZTCs enable us to determine the influence of pore geometry on both charging dynamics and charge storage mechanisms in EDLCs, also referred to as supercapacitors. We show that charging dynamics are negatively correlated with the pore-limiting diameter of the electrode material and display signatures of both progressive charging and ion trapping. However, the equilibrium capacitance, unlike charging dynamics, is not strongly correlated to commonly used, purely geometric descriptors such as pore size. Instead, we find a strong correlation of capacitance to the charge compensation per carbon (CCpC), a descriptor we define in this work as the average charge of the electrode atoms within the coordination shell of a counterion. A high CCpC indicates efficient charge storage, as the strong partial charges of the electrode are able to screen counterion charge, enabling higher ion loading and thus more charge storage within the electrode at a fixed applied voltage. We determine that adsorption sites with a high CCpC tend to be found within pockets with a smaller radius of curvature, where the counterions are able to minimize their distance with multiple points on the electrode surface, and therefore induce stronger local partial charges.<br />Molecular simulations of supercapacitors based on a library of templated porous carbons with regular structures yield new insights into the influence of pore geometry on the charge storage efficiency.

Details

Language :
English
ISSN :
23747951
Database :
OpenAIRE
Journal :
ACS Central Science, ACS Central Science, 2019, 5 (11), pp.1813. ⟨10.1021/acscentsci.9b00800⟩, ACS Central Science, ACS Publications, 2019, 5 (11), pp.1813. ⟨10.1021/acscentsci.9b00800⟩, ACS central science, vol 5, iss 11, ACS Central Science, Vol 5, Iss 11, Pp 1813-1823 (2019)
Accession number :
edsair.doi.dedup.....a48471a4e3209a697f02c598c2a39663
Full Text :
https://doi.org/10.1021/acscentsci.9b00800⟩