Science：利用無序結(jié)構(gòu)來設(shè)計高能量密度超級電容器的新途徑 →第一作者劉芯妤 ...
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電化學(xué)雙層電容器（EDLCs）因其高功率性能和長循環(huán)壽命而引起了廣泛關(guān)注。EDLCs，特別是那些利用活性碳作為電極材料的，因其制備成本低廉而在商業(yè)應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢。然而，盡管這些設(shè)備具有顯著的性能優(yōu)勢，它們的能量密度相較于現(xiàn)代電池系統(tǒng)仍有限制，這限制了其在高能量需求場合的應(yīng)用。
超級電容器的關(guān)鍵性能指標之一是其電極材料的電容性能，而這主要受到電極孔結(jié)構(gòu)的影響。長期以來，科學(xué)界普遍認為縮小碳材料的孔徑可以有效增加電解質(zhì)離子的吸附，從而提高電容。早期研究主要集中在如何通過改變活性碳的孔徑來達到這一目的，而相關(guān)的研究成果也初步表明，更小的孔徑有助于提升電容器的性能。特別是在使用脫溶劑化電解質(zhì)離子時，較小的孔徑被認為可以更有效地提高電容。
然而，近年來的研究開始出現(xiàn)了不一致的結(jié)果，許多研究報告表明孔徑與電容之間并沒有明顯的直接相關(guān)性。這些矛盾的結(jié)果暗示，除了孔徑以外，可能還有其他未知的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響著電容性能。為了探索這一假設(shè)，科學(xué)家們開始采用更為精細的物理化學(xué)分析方法來研究電極材料的結(jié)構(gòu)特征。
(圖1) 展示了不同碳材料的孔徑分布、比表面積以及電容值之間的關(guān)系。圖1A展示了五種商業(yè)納米多孔碳材料的孔徑分布，結(jié)果顯示這些材料具有相似的孔徑分布。在圖1B中，測量了這五種碳材料在NEt 4 BF 4 /乙腈電解質(zhì)中的電容值，結(jié)果顯示盡管孔徑分布相似，但電容值卻存在顯著差異。圖1C展示了三種商業(yè)活性碳布材料的孔徑分布，而圖1D展示了這些材料的電容值，結(jié)果表明盡管孔徑分布不同，但電容值相似。進一步地，圖1E和圖1F展示了電容與平均孔徑以及比表面積之間的關(guān)系。綜合這些結(jié)果，研究者得出結(jié)論認為，盡管孔徑大小和比表面積是影響電容的重要因素，但還存在其他結(jié)構(gòu)特征影響電容。通過這些實驗結(jié)果，可以更好地理解納米多孔碳材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為設(shè)計和優(yōu)化超級電容器提供了重要參考。
綜上，揭示了納米多孔碳電極的電容儲能與結(jié)構(gòu)無序性之間的重要關(guān)聯(lián)。通過對商業(yè)活性炭和經(jīng)熱退火處理的材料進行的一系列實驗和建模，發(fā)現(xiàn)了一個之前被忽視的因素 - 碳材料的局部結(jié)構(gòu)無序性對電容性能的決定性影響。傳統(tǒng)上，人們認為電容與碳材料的孔徑大小和比表面積有關(guān)，然而本研究發(fā)現(xiàn)，這些因素并不能很好地解釋電容的變化。相反，研究表明，具有較小有序域的碳材料具有更高的電容，因為它們能夠更有效地儲存離子。這一發(fā)現(xiàn)為超級電容器的設(shè)計和優(yōu)化提供了新的視角和指導(dǎo)方向。 因此，不應(yīng)僅僅局限于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來理解材料的性能，而應(yīng)更加關(guān)注材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響。局部結(jié)構(gòu)無序性作為一個重要的結(jié)構(gòu)特征，對碳材料的電容性能具有重要影響，這一點之前并未得到足夠的重視。因此，未來的研究應(yīng)該更加注重材料的微觀結(jié)構(gòu)，特別是在設(shè)計高性能超級電容器電極材料時。通過更深入地理解結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，可以更有效地設(shè)計出滿足不同應(yīng)用需求的電化學(xué)儲能材料，推動超級電容器技術(shù)的發(fā)展。
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6242
本文內(nèi)容部分來源： 劍橋大學(xué)化學(xué)系、’ 中國科學(xué)報 等。
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