Science：利用无序结构来设计高能量密度超级电容器的新途径 →第一作者刘芯妤 ...
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电化学双层电容器（EDLCs）因其高功率性能和长循环寿命而引起了广泛关注。EDLCs，特别是那些利用活性碳作为电极材料的，因其制备成本低廉而在商业应用中占据优势。然而，尽管这些设备具有显著的性能优势，它们的能量密度相较于现代电池系统仍有限制，这限制了其在高能量需求场合的应用。
超级电容器的关键性能指标之一是其电极材料的电容性能，而这主要受到电极孔结构的影响。长期以来，科学界普遍认为缩小碳材料的孔径可以有效增加电解质离子的吸附，从而提高电容。早期研究主要集中在如何通过改变活性碳的孔径来达到这一目的，而相关的研究成果也初步表明，更小的孔径有助于提升电容器的性能。特别是在使用脱溶剂化电解质离子时，较小的孔径被认为可以更有效地提高电容。
然而，近年来的研究开始出现了不一致的结果，许多研究报告表明孔径与电容之间并没有明显的直接相关性。这些矛盾的结果暗示，除了孔径以外，可能还有其他未知的结构参数影响着电容性能。为了探索这一假设，科学家们开始采用更为精细的物理化学分析方法来研究电极材料的结构特征。
(图1) 展示了不同碳材料的孔径分布、比表面积以及电容值之间的关系。图1A展示了五种商业纳米多孔碳材料的孔径分布，结果显示这些材料具有相似的孔径分布。在图1B中，测量了这五种碳材料在NEt 4 BF 4 /乙腈电解质中的电容值，结果显示尽管孔径分布相似，但电容值却存在显著差异。图1C展示了三种商业活性碳布材料的孔径分布，而图1D展示了这些材料的电容值，结果表明尽管孔径分布不同，但电容值相似。进一步地，图1E和图1F展示了电容与平均孔径以及比表面积之间的关系。综合这些结果，研究者得出结论认为，尽管孔径大小和比表面积是影响电容的重要因素，但还存在其他结构特征影响电容。通过这些实验结果，可以更好地理解纳米多孔碳材料的结构与性能之间的关系，为设计和优化超级电容器提供了重要参考。
综上，揭示了纳米多孔碳电极的电容储能与结构无序性之间的重要关联。通过对商业活性炭和经热退火处理的材料进行的一系列实验和建模，发现了一个之前被忽视的因素 - 碳材料的局部结构无序性对电容性能的决定性影响。传统上，人们认为电容与碳材料的孔径大小和比表面积有关，然而本研究发现，这些因素并不能很好地解释电容的变化。相反，研究表明，具有较小有序域的碳材料具有更高的电容，因为它们能够更有效地储存离子。这一发现为超级电容器的设计和优化提供了新的视角和指导方向。 因此，不应仅仅局限于传统的结构参数来理解材料的性能，而应更加关注材料内部微观结构的影响。局部结构无序性作为一个重要的结构特征，对碳材料的电容性能具有重要影响，这一点之前并未得到足够的重视。因此，未来的研究应该更加注重材料的微观结构，特别是在设计高性能超级电容器电极材料时。通过更深入地理解结构与性能之间的关系，可以更有效地设计出满足不同应用需求的电化学储能材料，推动超级电容器技术的发展。
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原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6242
本文内容部分来源： 剑桥大学化学系、’ 中国科学报 等。
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