超级电容器是电化学储能设备的重要组成部分，具有功率密度高、循环寿命长、温度区间宽和安全环保等优异特征，涵盖新能源集成网络、快速制动能量回收系统、消费类电子产品和国防设备等应用领域。但是，超级电容器的低能量密度，严重阻碍了其发展。高能量密度和高功率密度（“双高”）超级电容器的设计是亟待解决的世界科技前沿的热点和难点之一。截至目前，超级电容器的重要组成部分—双电层电容器的能量密度（~10Wh/kg）仍远小于其市场拓展需求值（~20Wh/kg）。目前，“双高”超级电容器尚未取得实质性突破，如何提高能量密度是超级电容器设计面临的一个重要挑战。此外，电化学储能设备的关键科学问题—能量密度和功率密度“此消彼长、相互掣肘”的竞争关系，进一步加大了“双高”超级电容器的设计难度。从分子尺度上理解能量密度和功率密度的微观储能机制是一个关键的基础科学问题。

  中国科学院化学研究所江剑研究员及其博士后卿乐英，在上述背景下开展了一系列的工作，改进和完善了聚电解质密度泛函理论，实现了准确高效的高通量计算，发现了聚电解质刷在高性能超级电容器设计中的重要潜力，有望实现“双高”超级电容器的设计。相应成果发表在JPCL、JCP和ACS Nano上。其工作获得国家自然科学基金青年基金（B03）、面上基金（B03），以及北京分子科学国家研究中心的大力支持。具体介绍如下：

图1 离子的非对称尺寸效应，实现 “快充电、强储能” 的超预期现象。

  因此，江剑研究员团队在其自主研发Atif软件（适用于非均匀复杂流体体系）基础上，将经典密度泛函理论的应用范围推广到界面接枝聚电解质刷体系，并与蒙特卡洛模拟（MC）和分子动力学模拟（MD）结果对比，严格证明了其理论方法的正确性和适用性（如图 2 所示）。（J. Chem. Phys. 2022, 157, 224904） 

图2 理论创新，准确预测界面接枝聚电解质刷的微观结构。

  论文链接：

1)Double-Edged Sword of Ion-Size Asymmetry in Energy Storage of Supercapacitors. 

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.1c03900;

2)Interfacial microstructure of neutral and charged polymer brushes: A density functional theory study.

https://pubs.aip.org/aip/jcp/article/157/22/224904/2842676;

3)Enabling High-Capacitance Supercapacitors by Polyelectrolyte Brushes. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c04824.

  江剑团队链接（欢迎合作）：https://www.jiangjlab.com/