HSE的研究人员借助超级计算机建模，对超级电容器纳米孔内含水溶剂中离子和分子的变化展开研究。结果显示，即便少量水也会改变纳米孔内电荷分布，进而影响器件储能能力，此方法可预测超级电容器在不同电解质成分和湿度条件下的行为。该研究发表于《电化学学报》杂志，在俄罗斯科学基金会资助下开展。

超级电容器是能快速积累和释放电能的紧凑型设备，广泛应用于电子产品、混合动力汽车、能量回收系统、太阳能和风力发电厂等领域。与电池相比，其充电时间从几十分钟到几小时不等，充电循环次数约500 - 1000次;而电池几秒即可完成充电，能承受数十万次充电循环且容量几乎无损失。不过，超级电容器储存能量比同等大小电池少，研究人员正不断研究其特性以提高电容量。

此前，HSE团队已研究过电解质离子和分子在碳纳米孔中的行为并创建双电层模型。此次新研究中，HSE和俄罗斯科学院溶液化学研究所的科学家首次利用HSE超级计算机，在单个离子和分子层面模拟电解质行为。他们研究了0.7至1.9纳米宽碳纳米孔中离子液体、有机溶剂和微量水的混合物，基于分子和离子轨迹计算微分电容，并与实验数据比较。

MIEM HSE教授Yuri Budkov解释，通过建模能看到离子和溶剂分子在孔隙中的分布、层状结构形成及电极电荷变化时层状结构的变化。“我们首次直接从全原子分子动力学而非简化理论模型中获得超级电容器的微分电容，有助于更准确预测其运行，无需复杂昂贵实验。”

模拟表明，微量水会显著改变纳米孔中电解质行为。电极带弱负电荷时，水扰乱离子排列顺序，降低微分容量;电极带强正电荷时，水有助于提高容量，水分子在电场中排列整齐，改变离子在纳米孔中的分布。

科学家还发现，电容随孔径厚度的变化与分离压力变化直接相关，首次证明这些变化与器件电容变化一致，反映了电极充电过程中电解质内层如何移动和压缩。这有助于解释实际超级电容器中，湿度或电解质成分变化导致器件效率升降的原因。

MIEM HSE研究员Daria Gurina指出：“少量水杂质会重塑孔隙中电解质内部结构，影响电荷积累。了解这种微妙影响对开发新电解质和电极材料至关重要。”

研究人员认为，此类模型能更准确预测超级电容器性能，有助于开发更高效、耐用的运输、电子和储能系统设备。