超级电容器，由电极与电解液之间的固/液界面处形成的双电层来存储电能，是电化学储能技术的重要组成部分。因具有优异的功率密度和循环寿命，已经被运用在汽车、轨道交通和重型起重等领域。但相比电池（基于法拉第反应的电化学储能器件），超级电容器的能量密度过低，因此提高器件的能量密度是长期以来超级电容器研究的重要方向。大量的研究工作发现，在碳材料中引入拓扑缺陷或异质原子能够极大的提高电极的质量比电容。然而截至目前，仍有重要的原理性的问题没有达成共识，如：缺陷或异质原子为什么可以提高双电层电容，通过何种途径，这两种因素的共性与区别等。近日，中国科学技术大学季恒星教授课题组与乔振华教授课题组合作，结合实验测量与理论模拟从碳材料的电子结构的角度出发对缺陷与异质原子对双电层电容的影响做出了阐述。该成果以“The Origin of Improved Electrical Double-Layer Capacitance by Topological Defects and Dopants in Graphene for Supercapacitors”为题发表在《德国应用化学》杂志上（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605926）。论文的共同第一作者分别是材料与科学工程系的研究生陈佳凤和物理系的研究生韩玉磊。
研究发现，缺陷与异质原子的引入同样会改变碳材料的电子结构，进而改变量子电容的大小，而量子电容是限制双电层电容的一个重要因素。进一步的研究发现，缺陷与异质原子改变电子结构的方式却截然不同。缺陷提高了碳材料的电子态密度（DOS），这直接提高了量子电容，进而提高了双电层电容。异质原子掺杂主要改变的是碳材料的费米能级（Fermi level），对电子态密度的影响相对可以不计，因此对双电层电容的影响强度还与电化学窗口的位置相关。
文献链接: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201605926/abstract
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