Supercapacitors are electrochemical energy storage devices that operate on the simple mechanism of adsorption of ions from an electrolyte on a high-surface-area electrode. Over the past decade, the performance of supercapacitors has greatly improved, as electrode materials have been tuned at the nanoscale and electrolytes have gained an active role, enabling more efficient storage mechanisms. In porous carbon materials with subnanometre pores, the desolvation of the ions leads to surprisingly high capacitances. Oxide materials store charge by surface redox reactions, leading to the pseudocapacitive effect. Understanding the physical mechanisms underlying charge storage in these materials is important for further development of supercapacitors. Here we review recent progress, from both in situ experiments and advanced simulation techniques, in understanding the charge storage mechanism in carbon- and oxide-based supercapacitors. We also discuss the challenges that still need to be addressed for building better supercapacitors. The development of supercapacitors requires fundamental understanding of the ion adsorption and charge storage mechanism. Salanne et al. review both chemical and physical aspects of the mechanism in carbon- and oxide-based supercapacitors.

Liquids exhibit specific properties when they are adsorbed in nanoporous structures. This is particularly true in the context of supercapacitors, for which an anomalous increase in performance has been observed for nanoporous electrodes. This enhancement has been traditionally attributed in experimental studies to the effect of confinement of the ions from the electrolyte inside sub-nanometre pores, which is accompanied by their partial desolvation. Here we perform molecular dynamics simulations of realistic supercapacitors and show that this picture is correct at the microscopic scale. We provide a detailed analysis of the various environments experienced by the ions. We pick out four different adsorption types, and we, respectively, label them as edge, planar, hollow and pocket sites upon increase of the coordination of the molecular species by carbon atoms from the electrode. We show that both the desolvation and the local charge stored on the electrode increase with the degree of confinement. Nanopores of porous electrodes have key roles in enhancing supercapacitor performance, but little is known at the atomic level. Merlet et al. perform molecular dynamics simulations and report the effects of confinement of electrolyte ions inside the pores on charge storage efficiency.

Supercapacitors based on an ionic liquid electrolyte and graphite or nanoporous carbon electrodes are simulated using molecular dynamics. We compare a simplified electrode model in which a constant, uniform charge is assigned to each carbon atom with a realistic model in which a constant potential is applied between the electrodes (the carbon charges are allowed to fluctuate). We show that the simulations performed with the simplified model do not provide a correct description of the properties of the system. First, the structure of the adsorbed electrolyte is partly modified. Second, dramatic differences are observed for the dynamics of the system during transient regimes. In particular, upon application of a constant applied potential difference, the increase in the temperature, due to the Joule effect, associated with the creation of an electric current across the cell follows Ohm's law, while unphysically high temperatures are rapidly observed when constant charges are assigned to each carbon atom.

Supercapacitors are electricity storage systems with high power performances. Their short charge/discharge times are due to fast adsorption/desorption rates for the ions of the electrolyte on the electrode surface. Nanoporous carbon electrodes, which give larger capacitances than simpler geometries, might be expected to show poorer power performances because of the longer times taken by the ions to access the electrode interior. Experiments do not show such trends, however, and this remains to be explained at the molecular scale. Here we show that carbide-derived carbons exhibit heterogeneous and fast charging dynamics. We perform molecular dynamics simulations, with realistically modeled nanoporous electrodes and an ionic liquid electrolyte, in which the system, originally at equilibrium in the uncharged state, is suddenly perturbed by the application of an electric potential difference between the electrodes. The electrodes respond by charging progressively from the interface to the bulk as ions are exchanged between the nanopores and the electrolyte region. The simulation results are then injected into an equivalent circuit model, which allows us to calculate charging times for macroscopic-scale devices.

Using molecular dynamics simulations with recently developed importance sampling methods, we show that the differential capacitance of a model ionic liquid based double-layer capacitor exhibits an anomalous dependence on the applied electrical potential. Such behavior is qualitatively incompatible with standard mean-field theories of the electrical double layer, but is consistent with observations made in experiment. The anomalous response results from structural changes induced in the interfacial region of the ionic liquid as it develops a charge density to screen the charge induced on the electrode surface. These structural changes are strongly influenced by the out-of-plane layering of the electrolyte and are multifaceted, including an abrupt local ordering of the ions adsorbed in the plane of the electrode surface, reorientation of molecular ions, and the spontaneous exchange of ions between different layers of the electrolyte close to the electrode surface. The local ordering exhibits signatures of a first-order phase transition, which would indicate a singular charge-density transition in a macroscopic limit.

We study the charge induced in a Thomas–Fermi metal by an ion in vacuum, using an atomistic description employed in constant-potential molecular dynamics simulations, and compare the results with the predictions from continuum electrostatics. Specifically, we investigate the effects of the Thomas–Fermi screening length lTF and the position d of the ion with respect to the surface on the induced charge distribution in a graphite electrode. The continuum predictions capture most of the features observed with the atomistic description (except the oscillations due to the atomic sites of the graphite lattice), provided that d and lTF are larger than the inter-atomic distances within the electrode. At large radial distance from the ion, the finite lTF case can be well approximated by the solution for a perfect metal using an effective distance d+lTF. This requires a careful definition of the effective interface between the metal and vacuum for the continuum description. Our atomistic results support in particular an early analytical prediction (Vorotyntsev and Kornyshev, Sov. J. Exp. Theor. Phys. 51, 509 (Mar., 1980)) for a single charge at the interface between a Thomas–Fermi metal and a polarisable medium, which remains to be tested in atomistic simulations with an explicit solvent.