Modeling ion adsorption in carbon nanopores
Modélisation de l'adsorption des ions dans les carbones nanoporeux
Résumé
The capacitance increase observed in nanoporous carbons opens the door for new optimisations of supercapacitors. The purpose of this work is to understand the microscopic phenomena at the origin of this capacitance increase. We use molecular dynamics to simulate model supercapacitors. Our simulations are original in various ways : we represent the electrolyte by a coarse-grained model and the electrodes, which are held at constant electrical potential, by a complex porous structure. From our simulations, we show that the capacitance increase results from a strong modification of the liquid structure at the interface with the electrode. More precisely, the confinement prevents the formation of successive layers of liquid which tend to decrease the charge storage efficiency. We also present various methods to determine the capacitance by molecular dynamics simulations. The use of a complex porous structure and the inclusion of electrode polarisation effects allow us to caracterise precisely the correlation between confinement and charge storage efficiency. Finally, we study the dynamic phenomena occurring in supercapacitors, the latter work allowing one to consider the characterisation of the supercapacitors power by molecular dynamics in the future.
L'augmentation de capacité observée récemment dans les carbones nanoporeux ouvre la voie vers de nouvelles optimisations des supercondensateurs. La compréhension des phénomènes microscopiques à l'origine de cette augmentation de capacité est l'objet de cette thèse. Nous utilisons la dynamique moléculaire pour simuler des supercondensateurs modèles. Nos simulations présentent des caractéristiques originales : nous représentons l'électrolyte par un modèle gros grains, les électrodes par une structure poreuse complexe, et nous maintenons ces électrodes à un potentiel électrique constant. À partir de nos simulations, nous avons montré que l'augmentation de capacité dans les carbones poreux est le résultat d'une modification importante de la structure du liquide à l'interface avec l'électrode. Plus précisément, le confinement empêche la formation de couches successives de liquide qui ont tendance à diminuer l'efficacité du stockage de charge. Nous présentons également plusieurs méthodes de détermination de la capacité par dynamique moléculaire. L'utilisation d'une structure poreuse complexe et l'inclusion de la polarisation des électrodes nous permettent de caractériser finement la corrélation entre le confinement et l'efficacité du stockage de charge. Enfin, nous étudions les phénomènes dynamiques survenant au sein des supercondensateurs, cette dernière partie permettant d'envisager dans le futur une caractérisation de la puissance des supercondensateurs par dynamique moléculaire.