이온 탈리 및 감금은 충전 및 방전 주기를 거치는 다공성 탄소 기반 전기 이중층 슈퍼 커패시터(EDL)의 주요 물리적 프로세스입니다. 전기 이중층(EDL) 커패시터라는 용어는 주어진 농도에서 점 대전 이온으로 채워진 용매의 평균장 유전체 연속체 설명에서 전압 분극 시 그 부근에 반대 대전 이온을 축적하는 비다공성 전극의 고전적 그림에서 유래했습니다. 이 그림은 매우 인기가 있지만 나노미터 이하의 기공을 가진 다공성 전극에는 적용되지 않습니다. 특히 높은 몰 농도와 수 나노미터보다 작은 기공 크기(탄소 기판의 경우 일반적으로 4 나노미터)에서는 EDL의 평균장 Gouy-Chapman 설명이 실패합니다. EDL 예측은 일반적으로 푸아송-볼츠만 이론과 드비-휴켈과 같은 수정된 버전에 의존합니다. 현재 전기화학 장치에 일반적으로 사용되는 무질서한 다공성 탄소 소재의 나노 기공에 갇힌 이온에 대한 정전기 문제를 해결할 수 있는 이론은 없습니다.

우리는 슈퍼 커패시터 환경에서 나노 다공성 탄소로 만든 전극(Pikunic 2003)의 충전 및 방전 과정을 설명하는 새로운 접근법을 제안하며, 이를 화학적으로 구동되는 전하 국소화 모델(CDCL)이라고 부릅니다. 평균장 특성에도 불구하고 CDCL 접근법은 원자 규모에서 하전 소자를 시뮬레이션하는 현재의 표준 방법, 즉 정전하 및 정전압 방법을 개선한 것으로, 나노 기공 내 이온 도킹을 정확하게 설명하는 데 효과적이지 않습니다(Dupuis 2022). DFT 계산을 통해 정보를 얻은 CDCL 방법은 화학적 또는 위상학적 결함 등 결함이 있는 비-sp2 탄소 부위에 전하를 국한하는 것으로 구성됩니다. 표준 방법과 달리 전극 외부 표면의 흡착과 서브나노 기공 내 도킹을 모두 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 방법을 실제 나노 다공성 탄소 질감에 적용하여 작동 중인 서브 나노 다공성 탄소 기반 슈퍼 커패시터 소자의 정전 용량 효과의 근본적인 과정을 밝혀낼 수 있었습니다. 특히 나노미터 이하의 기공이 표준 수성 전해질을 사용하는 소자의 정전 용량의 약 20%를 차지한다는 것을 보여주었습니다. 더 자세히 살펴보면, 기공 내 이온의 도킹은 외부 기공 표면 근처에서 비대칭적인 탈용해가 선행됨을 보여줍니다. 나트륨의 수화 껍질이 염화물보다 더 단단하기 때문에 나트륨과 염화물 이온의 탈용해 과정은 실제로 다릅니다. 일단 이온이 용해되면 나노 기공에 접근할 수 있으며, 현장 X-선 실험 결과와 일치하는 서브 나노 기공은 대부분 베어 이온으로 채워집니다(Prehal 2017).