潘洪革/夏振海AFM：钙离子电池杂原子掺杂石墨烯负极的高赝电容存储设计原理

多价离子的赝电容存储，特别是Ca²⁺，在杂原子掺杂的碳纳米材料中有望实现高能量和功率密度，但是目前还缺乏赝电容理论来合理设计钙离子电池的材料。

在此，西安工业大学新能源科学与技术研究院潘洪革教授团队联合澳洲新南威尔士大学碳材料中心夏振海教授团队通过理论和实验相互证实首次提出了一种全新的赝电容理论，命名为“能级填充理论”。

基于此理论，从数学原理出发提出了精确的数学方程，在原子电子层面对赝电容型电极材料的设计给予指导；

此外，该工作还提出了一种新颖的本征描述符φ去指导单掺杂以及双掺杂石墨烯钙离子电池赝电容型负极材料的设计，并得到了实验的证实；系统地阐明了提出的描述符φ的底层物理本质，即一种定量捕获微观层面复杂电子相互作用的一种媒介；

基于提出的能级填充理论和描述符的指导，提出了杂原子掺杂石墨烯钙离子电池负极的两步法设计策略并预言了良好负极材料的设计和性能将超越当前最好的钙离子电池负极。

图1. 理论模型

总之，该工作首次确立了一个通用的设计原则——超越Conway的赝电容理论。通过理论计算和实验表征，描述了赝电容材料的电荷存储机制。

此外，该工作分别建立了单掺杂和双掺杂石墨烯负极的火山图和反火山图，并据此提出了两种设计策略，以提高掺杂石墨烯负极的赝电容及Ca²⁺存储，使其高于现有的Ca²⁺存储负极材料。因此，该工作为赝电容型电极材料设计提供了实验证实的理论指导。

图2. 共掺杂石墨烯模型上的 Bader 电荷转移

Highly Pseudocapacitive Storage Design Principles of Heteroatom-Doped Graphene Anode in Calcium-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202305610

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潘洪革/夏振海AFM：钙离子电池杂原子掺杂石墨烯负极的高赝电容存储设计原理

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